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(huì)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(duì)原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。
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
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。
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(hào)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(hào)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(hào)錐形瓶中滴加 0.1 mol/L HCl,1次加1滴,然后輕輕搖動(dòng)。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(hào) 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(hào)錐形瓶,其他步驟同上。
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。
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(duì)“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(duì)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.