采用正交試驗法尋找纖維素水解的最佳實驗條件

曹愛娟

（唐山師范學院灤州分校 河北 唐山 063000）

一、問題的提出

纖維素水解實驗是高中化學課本第二冊中安排的一個演示實驗。此實驗對于學生了解多糖水解具有一定的代表意義。由于課本對實驗的敘述過于簡單，影響實驗成功的因素又很多，所以如果按照課本上的敘述進行操作很難把握實驗成功。為了提高實驗成功率、節約實驗時間，需要尋找這些影響因素的最佳組合狀態。正交試驗法，是使用正交表來安排實驗（一種特制的表格），并利用正交表的特點對試驗結果進行計算、分析，從而找到較優試驗方案的一種方法。因此，可以采用正交試驗法來尋找纖維素水解的最佳實驗條件。

二、正交試驗方案的分析與設計

1.纖維素水解原理

纖維素在濃硫酸催化和加熱條件下發生水解反應，最終產物是葡萄糖。

醛能在堿性環境下與新制的銀氨溶液反應生成銀，葡萄糖屬于多羥基的醛。因此通過產物是否能發生銀鏡反應可以檢驗纖維素是否水解生成了葡萄糖，再通過觀察試管上鍍銀的質量來判斷多少纖維素發生了水解反應。

2.影響因素及水平分析

通過查閱資料以及自己的理解，發現影響此實驗的因素有14種：纖維素用量、纖維素種類、纖維素水解方式、加酸方式、硫酸溶液的濃度、水解液加熱的方式、水解液加熱的時間、pH值、水解液是否過濾、硝酸銀溶液的濃度、5%的氫氧化鈉溶液（因為氨水是弱堿，氫氧根離子濃度小，與硝酸銀溶液反應速度相對較慢，如果加一滴氫氧化鈉溶液可能會加快反應速度）、氨水的濃度、水解液的用量、水浴溫度。

（1）不同的纖維素用量最終產生銀的量不同。為了減少實驗的復雜性，本次實驗的纖維素取用量固定為0.2g。

（2）水解液的加熱方式有酒精燈加熱和水浴加熱。用酒精燈加熱的溫度不易控制，過高容易碳化。因此加熱方式固定為水浴加熱70℃。同時，固定水解液加熱時間為5分鐘。

（3）水解液是否過濾會影響實驗效果，用過濾的水解液做銀鏡實驗效果優。本實驗固定為水解液過濾。

這樣選取的影響實驗的因素就被簡化為10種。本著第一次實驗多選因素、少選水平的原則，這些因素都選用二水平。

因素水平表如下：

3.評價指標的確定

因素水平J水浴溫度1 脫脂棉A纖維素種類B水解方式C加酸方式D E H2SO4%pH值F硝酸銀濃度G 1滴5%NaOH H氨水與水的比I水解液用量燒杯玻棒先酸后水 72% 8 1% 不加 1∶5 10滴 80℃2 濾紙 試管玻棒先水后酸 76% 9 2% 加 1∶10 15滴 90℃

本實驗以析出銀鏡的質量為指標。由于正交試驗設計是一種定量的研究方法，因此需要通過對銀鏡的質量進行評分，將定性指標轉化為定量指標。從銀鏡的光亮程度、顏色、均勻程度以及鏡面的質量給予各實驗的主觀分數。

三、實驗及結果

1.實驗步驟（最佳實驗為例）

（1）纖維素水解液的配制：稱取0.2g濾紙，將濾紙剪碎放在小燒杯中，向小燒杯中加入19滴濃硫酸，攪拌使纖維素初步水解成無色粘稠液體，然后加10滴水，邊滴邊攪拌，這時H2SO4濃度為76%，將燒杯放在70℃的水浴中加熱5分鐘，水解液變成亮棕色，取出，冷卻，滴加2滴酚酞試液。用10%的NaOH溶液調整溶液的p值，當溶液變成淡粉色時，用pH試紙或pH計測量，其值為8.過濾水解液，得到澄清濾液備用。

（2）銀氨溶液的配制：取2%AgNO3溶液2mL于一支潔凈的試管中，向試管中先加一滴5%的NaOH溶液再滴加1∶10的氨水，邊滴邊輕輕震蕩試管至沉淀剛好消失，回滴一滴AgNO3溶液，如果出現渾濁，再滴一滴或半滴氨水，使溶液再變回澄清。

（3）銀鏡的生成：取剛剛制好的銀氨溶液2mL于一支潔凈的小試管中，滴15滴纖維素水解液，輕輕振蕩試管使混合液均勻。把試管放在90℃的水浴中加熱，2分鐘后取出，觀察銀鏡。

2.實驗方案及其結果分析

本實驗選用了10因素2水平，選用L12正交表來安排實驗，正交表略。

按正交表依次完成所有的實驗。

3.實驗結果分析

通過實驗，各因素對實驗指標影響的主次關系為：I>D>J>B>F>C>G=H>A>E，最佳實驗條件為I2D2J2B1F2C1G2H2A2E1即：濾紙、燒杯玻棒、先酸后水、76%硫酸、調水解液pH值為8.2%AgNO3、加一滴5%的NaOH溶液、1∶10的氨水、水解液用量15滴、水浴溫度為90℃。顯然，水解液用量、硫酸溶液的濃度、水浴溫度是影響實驗效果的三個關鍵因素。

需要說明的是，脫脂棉和濾紙做實驗都成功，從分析結果看，濾紙的效果要優于脫脂棉，但脫脂棉比濾紙溶于酸的速度快，所以用脫脂棉會縮短實驗時間。

四、尋找關鍵因素的最佳水平組合

1.三因素三水平正交試驗設計

因素水平 A硫酸濃度 B水解液用量 C水浴溫度1 72% 8滴 70℃2 76% 10滴 80℃3 80% 15滴 90℃

選用L9（34）正交表安排實驗，在實驗安排表的右方列出銀鏡的質量評分，在表下方列出對測得數據的計算結果，即可得實驗結果分析計算表（見右上）。

2.實驗方案設計及結果分析

從實驗結果計算表可知，影響本實驗的因素主次關系為：A>B>C，即：硫酸濃度>水解液用量>水浴溫度。本實驗的最佳實驗條件為：A2B1C2，即：76%的硫酸溶液、8滴水解液、80℃水浴溫度。由于最佳實驗條件不包括在1-9號實驗中，所以需要補做一次驗證性實驗。結果得到了銀白色、光亮、鏡面細密均勻的銀鏡，同時證明了以上結論是正確的。

因素實驗號實驗指標銀鏡的質量評分1 1 1 1 87 2 1 2 3 83 3 1 3 2 84 4 2 1 3 95 5 2 2 2 93 6 2 3 1 91 7 3 1 2 90 8 3 2 1 86 9 3 3 3 85 K1 254 272 264 K2 279 262 267 K3 261 260 263 k1 84．7 90．7 88 k2 93 87．3 89 k3 87 86．7 87．7 R 8．3 4 1．3 A硫酸濃度B水解液用量C水浴溫度

五、結論

本實驗操作簡單，銀鏡生成效果好，重復性好，成功率100%，實驗全過程7-8分鐘，故可行性強。

此實驗方案也可以讓學生進行分組實驗。

但應該注意一下幾點：第一，纖維素要剪碎，以加快溶解。第二，加入濃硫酸時，先滴幾滴濃硫酸于燒杯中沒有纖維素地方，然后攪拌濃硫酸和纖維素的混合物，等燒杯冷卻后，再重復操作。第三，水浴溫度時間不宜太短，太短了，鍍銀效果不好，一般不要低于1分鐘。第四，氨水濃度不宜太高，若太高，回滴一滴硝酸銀不易使溶液再變渾濁；另外，由于銀氨溶液中含有過量的氨水，影響實驗效果。

［1］ 衛子光．化學實驗設計與研究［M］．天津：南開大學出版社，2000

［2］ 唐清，周湘．用正交試驗法探討纖維素水解的最佳實驗條件［J］．實驗與創新思維，2001，（8）