用正交法探究幾種因素對淀粉水解的影響

摘要：中學化學實驗研究的目的主要是發(fā)揮實驗的教學功能，提高化學教學質量。淀粉的水解實驗在蘇教版多本化學教材中都出現了，但是每本教材中對淀粉水解實驗的操作試劑及條件控制有些不同。本文運用正交試驗法對淀粉水解最佳試劑及反應條件進行實驗探究。

關鍵詞：正交法；淀粉水解；化學實驗；探究

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）39-0278-02

化學新課程標準中，化學實驗定性化向定量化方向發(fā)展趨勢更加明顯。實驗的定量化研究可以化學教師提高實驗研究水平，提高學生的實驗素養(yǎng)，訓練學生的實驗技能及科學方法，讓學生體驗化學實驗的過程和方法，培養(yǎng)學生的科學精神和激發(fā)學生的學習興趣。淀粉的水解在蘇教版三本教材《必修2》，選修《有機化學基礎》、《化學與生活》中都有，但是在試劑的加入量和具體的實驗操作描述在三本教材中不盡相同。該反應涉及的條件很多——催化劑硫酸的濃度和用量，中和硫酸時氫氧化鈉溶液的濃度和用量，檢驗試劑新制堿性氫氧化銅的用量，加熱的溫度和時間都會影響到實驗的效果。教師做演示實驗或者學生實驗時選擇什么樣的實驗條件最好？在這里我用正交試驗設計的方法來探究最適宜的反應條件。

一、實驗效果指標的確定

本實驗用新制的堿性氫氧化銅來檢驗水解產物——葡萄糖，以氧化亞銅固體出現的時間和固體的產量和顏色作為實驗指標進行評分，將定性描述轉化成定量數據，以便對實驗結果進行計算和分析，找出最佳條件。根據實驗預備時檢驗水解產生固體物質的基本情況，本實驗的評分標準為：（1）迅速生成大量固體產物，紅色鮮艷：90分及以上；（2）較快產生較多固體產物，顏色橙紅：80～89分；（3）產生固體產物，顏色黃：70～79分；（4）較慢產生較少固體產物，顏色土黃：60～69分；（5）較長時間不產生固體物質或有很少量的暗土黃色固體物質：60分以下。

二、實驗因素與水平

實驗時液體體積的確定：為了比較容易迅速準確控制反應時各溶液的體積，我們在實驗室挑選了規(guī)格一致的滴管，反復測算滴管滴出液體的體積，實際測得每毫升液體平均20滴。實驗時的試劑和條件：每次用0.5克的淀粉；5ml硫酸溶液（濃度分別是：10%、20%、30%）；10%Na0H溶液（體積分別是：2ml、3ml、4ml）；10%CuSO4（體積分別是：2、4、6滴）；水浴溫度分別為40℃、60℃、80℃。本實驗選定的因素：催化劑硫酸的濃度、反應的溫度、10%NaOH的體積、10%CuSO4溶液的體積。水平分為三個層次，如表1所示。

三、實驗方案的設計

參照表1，運用正交法選用表2進行實驗。

參照表2的設計進行實驗。

四、實驗步驟

（1）儀器處理：所有實驗試管全部用水洗后，再向試管內加入適量10%NaOH溶液加熱煮沸洗滌1～2min，然后用水清洗干凈，烘干待用。（2）取適量淀粉，在研缽中研細，準確稱取9份0.5g淀粉。（3）按照表2的設計，依照實驗號1～9做9次實驗，每次取一份0.5g淀粉，加對應濃度的稀硫酸，在對應的水浴溫度下反應5min。（4）水解后，向水解液中滴加適量的10%NaOH'溶液，使溶液略顯堿性。（5）按實驗序號取對應量的10%NaOH溶液，向其中再加入對應量的10%CuSO4溶液，振蕩搖勻，將其加入水解液中，混勻，酒精燈加熱，觀察，評分，填入表3。

五、實驗的數據的處理、實驗結論及說明

1.根據實驗所得數據，算出K，k和R（極值差）。

2.從表3中得到的數據——極差值的大小可知，對本實驗影響的因素關系是：A（稀硫酸的濃度）>D（10%CuSO4溶液的用量）>B（反應的溫度）>C（10%NaOH溶液的用量）。所以，對該實驗影響最大的因素是所用的催化劑，即稀硫酸的濃度對淀粉水解的完全程度和水解的速率有最主要的影響。從結果看，20%的稀硫酸是本實驗淀粉水解理想的催化劑。參照其他文獻資料，淀粉水解實驗中NaOH的量對實驗的成功率影響較大，但在本實驗中影響卻最小，這主要是實驗過程中已經額外用NaOH溶液中和了催化劑稀硫酸，而且選擇使用的氫氧化鈉的量相對硫酸銅的量也是適量多的，所以在此條件下NaOH的量對實驗的影響已經很小了。

3.根據表中的數據得到的最佳條件：A2B2C3D2，（即：20%稀硫酸，溫度60℃，4m110%的NaOH溶液，4滴10%的CuSO4溶液）。這一條件，既保證了NaOH過量（水解產物的檢驗需要較強的堿性），CuSO4的量也比較大，保證了氧化亞銅的產量相對比較多，現象迅速且明顯。

4.在實驗過程中，新制堿性氫氧化銅懸濁液要振蕩混合均勻，否則效果不理想。所以在具體實驗時，水解后，另外用試管按對應量取NaOH溶液與CuSO4溶液，振蕩混合均勻，然后再將制得的新制堿性氫氧化銅懸濁液加入水解液。

5.限于學校實驗室儀器設備及試劑的條件有限，上述實驗條件的設定雖然是理論上的，但在實際操作的過程中不可能完全做到理論上的要求，而且在做實驗時也很難保證實驗人員每項操作都做得精確和統一，所以得到的實驗結果也可能存在誤差。

6.說明：（1）淀粉、NaOH（96%）和硫酸（95%～98%）為昆山晶科微電子材料有限公司生產；CuSO4·5H2O（≧99%）為江蘇強盛化工有限公司生產；電子恒溫不銹鋼水浴鍋為上海寶磊儀器有限公司生產。（2）本實驗由本校實驗員和參與研究性學習的學生協助完成，在此對他們表示衷心的感謝。

參考文獻：

[1]沈理明.化學實驗教學與研究[M].貴陽：貴州教育出版社，2004.

[2]胡家坤.“淀粉水解”的科學探究[J].化學教學，2007，（3）：6.