“生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

馬 玲 （北京第十二中學(xué) 北京 100071）

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)素養(yǎng)。“個(gè)體水平的調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)”內(nèi)容比較抽象，恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)探究能幫助學(xué)生更好地理解穩(wěn)態(tài)?！吧矬w維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”實(shí)驗(yàn)選自人教版高中生物學(xué)必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境第1章第2節(jié)“內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要性”［1］，其目的是通過比較自來水、緩沖液和生物材料在加入酸或堿后pH的變化，進(jìn)一步解釋生物體如何維持pH穩(wěn)定。

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的完成度不高，推測原因主要有以下幾方面：若使用pH試紙測溶液pH，顏色不易區(qū)分，且要在6 s內(nèi)讀取以防褪色；而若使用pH計(jì)或pH傳感器測量溶液pH，則學(xué)生需要學(xué)會相關(guān)儀器的使用方法、清洗和維護(hù)，而pH傳感器讀數(shù)靈敏，等待時(shí)間較長。綜合以上因素，很難在1節(jié)課內(nèi)完成多種實(shí)驗(yàn)材料的pH測定，并繪制曲線分析pH穩(wěn)定的機(jī)制。

為了讓學(xué)生從重復(fù)清洗、辯色困難中解脫，將精力更多地用于關(guān)注實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，分析?shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者設(shè)想“讓溶液顯色，且溶液的顏色隨pH變化而呈現(xiàn)顏色梯度變化”，對原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

在自來水、緩沖液和生物材料中加入混合酸堿指示劑顯色，滴加一定滴數(shù)的酸或堿后，觀察顏色變化，以此推斷pH變化。通過比較三者的顏色變化情況，推測生物體如何維持pH穩(wěn)定。

配制混合酸堿指示劑的方法［2］：

按表1的配方稱取試劑后研磨均勻,用200 mL 95%酒精潤濕并溶解，加150 mL蒸餾水稀釋，用0.1 mol/L的NaOH溶液中和直至溶液顯綠色，再加水至400 mL。其pH值為8.1。

表1 混合酸堿指示劑配方

表2顯示pH 4～10范圍內(nèi)，溶液酸性不同，呈現(xiàn)不同的顏色?？蓪⒒旌纤釅A指示劑溶液直接加入待測液中觀察顏色以測定pH，也可將試紙潤濕后晾干制成pH試紙供測試時(shí)參考比色。

表2 混合酸堿指示劑顯色范圍

2 實(shí)驗(yàn)材料

0.1 mol/L NaOH（滴瓶）、0.1 mol/L HCl（滴瓶）、混合酸堿指示劑（滴瓶）、自來水、pH=7的磷酸鹽緩沖液、生物材料（用5倍水稀釋的蛋清溶液、用5倍水稀釋的大白菜勻漿、用5倍水稀釋的黃瓜去皮后勻漿等）；50 mL錐形瓶、50 mL量筒、滴管。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）繪制實(shí)驗(yàn)記錄表。

表3 實(shí)驗(yàn)記錄

2）取 6 個(gè) 50 mL 錐形瓶，標(biāo)記為 1、2、3、4、5、6，分別向1、2號錐形瓶中加入25 mL自來水，3、4錐形瓶中加入25 mL磷酸鹽緩沖液，5、6號錐形瓶中加入25 mL蛋清溶液。

3）分別向6個(gè)錐形瓶中滴入3滴混合酸堿指示劑，觀察顏色并記錄。

4）分別向 2、4、6號錐形瓶中滴加 0.1 mol/L HCl，1次加1滴，然后輕輕搖動。加入5滴后再記錄顏色。重復(fù)該步驟直至加入30滴為止。將測定結(jié)果記入表中。

5）充分沖洗 2、4、6號 3個(gè)錐形瓶，并分別向其中加入與步驟2相同的25 mL自來水、25 mL磷酸鹽緩沖液和25 mL蛋清溶液，并滴入3滴混合酸堿指示劑，觀察顏色并記錄。再如步驟4，逐滴加入0.1 mol/L NaOH，測定并記錄顏色。

6）測試其他生物材料，可省略 1、2、3、4 號錐形瓶，其他步驟同上。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表4）

表4 實(shí)驗(yàn)記錄

或記錄顏色變化（表5）。

表5 顏色變化

自來水中加入混合酸堿指示劑后顏色呈青色。加入1滴HCl，顏色立即變綠，并隨著滴加量的增加，顏色變化更加劇烈。而加入1滴NaOH后，溶液變藍(lán)色，并隨著滴加量的增加，顏色更深。

磷酸鹽緩沖液中加入混合酸堿指示劑后顏色呈綠色。加入1滴HCl或NaOH后，顏色不變，直至加入30滴后，顏色基本不變。

蛋清溶液中加入混合酸堿指示劑后顏色呈青色。加入1滴HCl后，顏色不變，直至加入15滴后，顏色變綠。而加入1滴NaOH后，顏色不變，直至加入10滴NaOH后，顏色變藍(lán)。

黃瓜溶液初始為淺黃色，加入混合酸堿指示劑后呈黃色。加入1滴HCl后，顏色不變，直至加入15滴后，顏色變?yōu)槌壬?。而加?滴NaOH后，顏色不變，直至加入5滴NaOH后變綠。

大白菜溶液初始為淺黃色，加入混合酸堿指示劑后呈黃色。加入1滴HCl后，顏色不變，直至加入10滴后，顏色變?yōu)槌壬?。而加?滴NaOH后，顏色不變，直至加入5滴NaOH后變綠。

4.2 結(jié)論 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入HCl或NaOH后的生物材料pH的變化，更類似于緩沖液而不是自來水。不同生物材料的緩沖能力有差異，蛋清溶液的緩沖能力強(qiáng)于大白菜。

5 教學(xué)實(shí)踐與反思

1）筆者采用以上方案進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，每2人一組，在40 min內(nèi)可以完成以下教學(xué)內(nèi)容：測定自來水、緩沖液和至少3種自選生物材料的pH變化；填寫pH與顏色變化相關(guān)表格；不同組的學(xué)生分析比較加入HCl或NaOH后，自來水、緩沖液和生物材料的pH變化，以及不同生物材料的緩沖能力差異等；對“緩沖”“穩(wěn)態(tài)”等概念進(jìn)行深入的討論。

與教材中實(shí)驗(yàn)相比，不再使用pH試紙或pH計(jì)，而是改為使用混合酸堿指示劑，其優(yōu)點(diǎn)在于：①pH試紙或pH計(jì)需要反復(fù)在試紙上滴加或清洗探頭并等待，每次讀數(shù)所需時(shí)間較長，而混合酸堿指示劑直接滴入溶液中顯色，顏色易于觀察，節(jié)約大量時(shí)間；②混合酸堿指示劑顯色的pH范圍雖然略有縮小，但是顏色更容易區(qū)分，便于讀取和記錄；③記錄數(shù)據(jù)時(shí)，既可記錄具體顏色，也可記錄顏色變化起始時(shí)間，結(jié)果更加直接；④pH計(jì)或傳感器價(jià)格昂貴，易損壞，日常維護(hù)要求高；而混合酸堿指示劑配方為常見指示劑，價(jià)格便宜，配制方便，易于清洗。

2）為了達(dá)到更好的實(shí)施效果，建議在組織學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)：①教師配制一組pH 4～10范圍內(nèi)酸堿性不同的溶液，呈現(xiàn)不同的顏色進(jìn)行展示，充分呈現(xiàn)顏色變化，或?qū)⒃嚰埥肷鲜鋈芤褐袧櫇窈罅栏芍瞥蓀H試紙供學(xué)生測試時(shí)參考比色。配制方法：用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH稀釋后配制pH梯度為4～10的溶液，取2 mL pH溶液，加入2滴混合酸堿指示劑后顯色。梯度顯色液封口后可以較長時(shí)間放置。②選擇多種合適的生物材料，盡量減少顏色的干擾，初始pH在混合酸堿指示劑顯色范圍內(nèi)。③配制生物材料溶液時(shí)，根據(jù)不同的稀釋度，調(diào)整記錄的滴數(shù)差或調(diào)整滴加所用的酸或堿的濃度，以得到更加直觀的緩沖范圍。例如，對于用5倍水稀釋的大白菜勻漿、用5倍水稀釋的黃瓜去皮后勻漿等材料，可以采取每滴加1滴酸或堿后進(jìn)行記錄，也可以使用0.05 mol/L NaOH或HCl。

主要參考文獻(xiàn)

［1］朱正威，趙占良.生物：必修3：穩(wěn)態(tài)與環(huán)境.北京：人民教育出版社，2007.

［2］黃春，岳京立.醫(yī)用化學(xué).武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010：45.

［3］中華人民共和國.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn).北京：高等教育出版社，2003.