用直观分析法进行实验室制取CH4的最佳条件探讨
□ 崇左市教育局  黄进勇

在初中和高中化学实验中都要用到甲烷。实验室中制取CH4气体常常采用无水CH3COONa与碱石灰（CaO与NaOH的混合物），在实际操作中常遇到两个题：一是甲烷产率不高，二是试管在实验过程中破损。为保证实验成功，我们用双指标的正交设计来探讨其最佳条件。

一、试验指标的确定

根据该实验在中学化学中的作用和要求，可以将试验的指标确定为两个：

指标1：CH4在5分钟内的产率；指标2：试管破损情况。

由于这两项指标在实验中的作用和地位不同，可以结合实际情况而赋予两项指标不同的权重。在实际实验操作中，我们最关心的是短时间内CH4的产率，其次才是试管的破损情况。相应地，可以将CH4的产率的权重适当地大一些，为80%，而试管破损情况的权重适当地小一些，为20%。为使试管破损指标能够量化，我们可以根据试管破损的时间不同做如下的规定：试管在实验过程中不破裂定为100分；试管在实验过程后破裂定为60分；试管在实验过程破裂定为0分。

二、因素、水平的选取

在探讨本试验的最佳条件组合之前，对影响本试验效果的三个因素（即NaAC、NaOH和CaO）的合适范围，需要经过实验确定。通过查阅有关资料的数据，NaOH与CaO在碱石灰中的比例为1：1时，NaAC与NaOH的比例为1：0.27的情况下，CH4的产率较高，且试管不容易破裂；当NaAC与NaOH的质量比为1：0.60时，NaOH与CaO的质量比为1：0.67的情况下，CH4的产率较高，且试管不容易破裂。这些数据只是给我们探索CH4制取实验操作的最佳条件提供了大致的范围，其最佳条件仍须进一步探讨。因此，因素水平的选取具体如下列表一：

三、试验方法

按下列表二所设计的试验方案进行实验。实验仪器、装置和基本操作与中学化学实验中的一致，只是在收集时，用的是500毫升的量筒而不是集气瓶。

四、试验方案的设计及其结果的直观分析

我们选用三因素二水平活动水平的试验，故而可以选用L4（23）的正交表来进行试验。按照表格的设计要求，分别称取所需无水的NaAC、NaOH、CaO的量，在研钵中研细，装入 实验装置中进行实验，记录所测量的体积并转化为标准状况下的体积，计算产率，填入下面表二相应的栏目内。

注：做本试验时，T=10.60℃   P0=100.94×103Pa

根据测量结果、理论值以及各指标的权重，可计算出各次实验的产率和得分情况，因此该组实验的直观分析如下，详细结果见下面表三。

五、试验结果与讨论

1、影响“甲烷产率”的主要因素是NaOH加入量（其极差值最大），它又是导致试管破损的主要因素。其原因可能是NaOH在药品熔融状态下腐蚀试管，使反应物板结在试管内壁上，由于二者的热胀系数据不同，导致了较大的内应力，使试管在反应过程中或反应后冷却过程中破裂。

2、在本试验中，氧化钙并不直接参加反应，它虽作为NaOH的干燥剂和醋酸钠脱竣反应的稀释剂，但试验中若CaO用量减少（NaOH用量相对增大），试管的破损率将增加。另有当CaO用量增大时，甲烷的产率将降低。因此，若既要获得较高的CH4产率又要使试管的破损率低，NaOH与CaO的用量配比控制在1：0.67-1：1.5之间较为适宜。

3、由K值和R值的大小可以看出，在本组试验所选取的因素水平内，满足两个指标的最佳条件组合为：A2B2C1，即NaAC的质量为1.5克、NaOH的质量为NaAC的质量的60%、CaO的质量为NaOH质量的100%时，在5分钟内CH4的产率较高。该组合为本试验的第4号实验。可以看出，该组合的产率最高且试管完好无损，确为最佳条件。