利用正交试验探究原电池课堂演示实验的最佳方案

胡欣阳 姜言霞 苏少娣

摘要：运用手持技术并利用正交试验法探究去极化剂、电解质溶液浓度、电极材料.电极正对面积和电极间距对原电池电流强度的影响。对实验结果进行极差分析，并通过SPSS 20.0软件对试验数据进行方差分析处理，从而得到各影响因素的主次差异及显著性等结论，并在此基础，上进一步优化得到适合中学化学教学中应用的原电池最佳演示方案。

关键词：原电池;电流强度;正交试验设计;影响因素

文章编号：1008-0546（2019）04-0089-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.024

一、問题的提出

“原电池”是高中化学非常重要的教学内容，既是对氧化还原反应相关理论知识的应用和深化，又让学生理解通过一种装置能实现化学能到电能的转化，并进一步帮助学生理解科学与生活的密切联系。传统的铜锌单液原电池是学生学习原电池的入门内容，教师在教学中，需要通过这类原电池让学生切实“看到”电流的产生，从而为其深入理解原电池奠定基础。然而事实上，教师在教学中演示铜锌单液原电池装置时，电流非常微弱，普通电流计中指针偏转角度过小，并且电流计指针很快就回归0位，导致学生的直观认识并不深刻，甚至使其对原电池产生一些错误认识，这对学生理解原电池的工作原理造成了一定的困难。

相关研究者已经开始关注对原电池实验装置进行创新和改良，并结合简单的控制变量法和对照法探究了原电池电流强度或工作效率的部分影响因素。研究者发现，有很多因素影响着单液原电池的实验现象，例如，王春通过手持技术探究发现电流强度与电极材料的间距、电极材料的正对面积以及电解质溶液的浓度有关[1];胡华国探究了浓度和电极材料对原电池效率的影响（2];蔡惠君发现去极化剂如过氧化氢对原电池电流强度有较大的影响[3]。也有部分研究者提出金属锌和铜的纯度、两极的粗糙程度、实验温度和接触的良好程度对实验也有影响[4]。然而研究者很少关注到多种因素与因素之间影响程度大小的关系;也鲜有研究能够将原电池电流强度的影响因素尽可能全面地进行系统探究并能提供足够大的电流以供实际教学演示使用。

由于本研究涉及到的影响因素较多，用传统简单的单一控制变量法过于繁琐。并且多因素的探究试验，随着试验因素和水平的增加，处理组合数也急剧增加，要全面实施试验变得非常困难，因此本研究应用正交设计法对影响原电池电流强度的影响因素进行系统分析研究，综合考虑各主要影响因素的各种水平，探索最优水平组合，以达到原电池实验的最佳演示效果，为一线教师的实际教学提供参考和借鉴。二、正交试验的设计

1.实验器材及药品

实验器材：Vernier LABQUEST2数据采集器、电流传感器、导线、800mL烧杯、100mL烧杯、500mL容量瓶、10mL量筒、50mL量筒、玻璃棒、砂纸、直尺、滤纸。

实验药品：锌片（纯度为99.90%，长8cm，宽2cm）、铜片（长8cm，宽2cm）、石墨片（长8cm，宽2cm，厚0.2cm，并对其厚度面进行涂指甲油覆盖处理，在分析过程中使其与锌片、铜片等金属片一致，不考虑厚度）.铝片（长8cm，宽2cm）.0.1mol/L的硫酸溶液、0.5mol/L的硫酸溶液和1mol/L的硫酸溶液、30%过氧化氢溶液和去离子水。

2.试验指标的确定

本试验确定评价不同因素对原电池电流强度的影响因素大小以Vernier电流传感器所描绘出的电流随时间变化曲线的电流平均值大小为标准，平均电流值越大说明该影响因素对原电池电流强度的影响越大。

3.确定试验因素及水平

通过文献分析我们了解到，影响原电池电流强度的因素很多，我们将文献中提出的因素和理论分析认为可能会有影响的因素进行预试验研究。固定其他因素变量及水平，只改变其中一个因素变量的水平，观察原电池电流强度的变化情况。考虑到常规电流表最小分度值为0.02A，故我们选择电流强度变化超过0.02A的因素，进入正交试验设计中。例如，通过预试验发现，在1mol/L硫酸，电极间距为2cm的前提下，两电极的正对面积分别为1cm2、2cm2和5cm2时，铜-锌单液原电池产生的平均电流值分别为0.0360A、0.0617A和0.0795A。故我们将电极正对面积作为正交试验的探究因素之一。

结合文献资料和预试验的结果，最终选取了对原电池电流强度影响较大的五个因素及其三个水平：去极化剂H2O2的用量（0mL、4mL、8mL）（为了保证添加去极化剂不对硫酸的浓度造成影响，在添加0mL去极化剂这一水平中，同时添加8mL去离子水;在添加4mL去极化剂这一水平中，同时添加4mL去离子水）、电解质溶液（硫酸）的浓度（0.1mol/L、0.5mol/L、1mol/L）、电极材料（Zn-C、Zn-Cu、Zn-Al）、电极正对面积（2cm2、4cm2、8cm2）和电极间距（一层滤纸、1cm、5cm）。最终确定的进入正交试验的因素和水平如表1所示。

4.正交表的设计

根据选定的因素和水平，我们利用SPSS 20.0软件绘制了五因素三水平的正交表并添加了一列空白列。将试验结果数据录入到SPSS数据库中，如表2所示。

三、正交试验结果分析

我们对本正交试验结果进行极差分析和方差分析。如表3所示，为对试验数据进行极差分析的结果。通过极差分析可以知道五个因素对原电池电流强度影响的主次顺序，即因素C（电极材料）对原电池电流强度影响最大，其次是因素D（电极正对面积），因素A（去极化剂），因素B（电解质浓度），因素E（电极间距）。各因素的最优水平组合分别为：在80mL硫酸中添加8mL H2O2去极化剂;硫酸浓度为1mol/L;电极材料选择Zn-C;电极正对面积为8cm2;两电极间距为5cm。