對(duì)“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)的釋疑及優(yōu)化

張 云林 凡

（1福建教育學(xué)院理科研修部 福建福州 350001 2福建中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院 福建福州 350122）

1 問題提出

“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教版《生物·必修1》“分子與細(xì)胞”中的探究實(shí)驗(yàn)。該版教材沿用了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以各反應(yīng)體系中氣泡產(chǎn)生數(shù)量、點(diǎn)燃衛(wèi)生香燃燒程度，比較H2O2分別在室溫、90℃、滴加2滴3.5%FeCl3溶液，以及滴加20%肝臟研磨液條件下的分解速度［1］。在教學(xué)實(shí)踐中，有教師提出以下2點(diǎn)質(zhì)疑。

①用帶火星的衛(wèi)生香檢測(cè)90℃反應(yīng)體系中生成的氣體，衛(wèi)生香不復(fù)燃，也不發(fā)亮，且蒸餾水在加熱過程中，容器底部及壁上也能觀察到大小不一的氣泡。因此有教師認(rèn)為：90℃反應(yīng)體系中觀察到的氣泡不是O2氣泡，而是水氣泡［2］。

②在滴加FeCl3溶液的反應(yīng)體系中，觀察到的是細(xì)小的單氣泡，氣泡數(shù)量多，且以線形排列的方式出現(xiàn)在溶液中，而滴加肝臟研磨液的反應(yīng)體系中，則在液面上方形成體積較大的群聚泡沫。不同反應(yīng)體系生成的氣泡大小、狀態(tài)并不相同，以相同時(shí)間內(nèi)氣泡產(chǎn)生數(shù)量，作為判斷O2生成速率快慢的依據(jù)是否合適？

目前，我國(guó)多省市已將數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)列為普通高中教育裝備標(biāo)準(zhǔn)之一。該設(shè)備操作簡(jiǎn)便，能迅速檢測(cè)O2濃度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，使得中學(xué)階段對(duì)氧濃度的準(zhǔn)確測(cè)定成為可能。本文擬借助此系統(tǒng)對(duì)上述質(zhì)疑進(jìn)行釋疑，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)原實(shí)驗(yàn)方案提出優(yōu)化建議。

2 材料、用具及試劑

2.1 材料 新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%豬肝研磨液、新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%土豆研磨液。

2.2 用具 計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室軟件（山東遠(yuǎn)大朗威教育科技股份有限公司）、傳感器連接線、USB連接線、250 mL錐形瓶、硅膠O型圈、恒溫水浴鍋、電子天平、移液器及移液器吸頭。

2.3 試劑 3%H2O2、0.1 mol／L FeCl3、0.1 mol／L過氧化氫酶（3 500 U／mg）。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成 取4支潔凈的試管編號(hào)（表1），分別加入蒸餾水及3%H2O2溶液，再分別置于90℃水浴與室溫25℃環(huán)境中，5 min后觀察試管中氣泡的生成情況。

表1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成

3.2 H2O2在不同條件下的分解 取錐形瓶若干，編好序號(hào)（表2），依次設(shè)置反應(yīng)體系（反應(yīng)溫度設(shè)定為25℃），用傳感器連接線、USB連接線連接好氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)，設(shè)置每間隔1 min自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。加入催化劑、研磨液（或蒸餾水），迅速將氧氣傳感器接于錐形瓶瓶口，并用硅膠O型圈將瓶口密封，采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

表2 H2O2在不同條件下的分解

3.3 氧濃度變化曲線的制作 以表2序號(hào)1的反應(yīng)體系為對(duì)照，取3次實(shí)驗(yàn)平均值，用Excel軟件作不同條件下氧濃度的變化曲線。

4 結(jié)果分析

4.1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成 表1中的1號(hào)、2號(hào)試管沒有觀測(cè)到明顯氣泡，表明在25℃條件下，1號(hào)、2號(hào)反應(yīng)體系中的物質(zhì)沒有發(fā)生明顯的物化變化；3號(hào)試管為90℃水浴中的蒸餾水，管壁上有氣泡附著（圖1a），與蒸餾水中溶解有部分空氣、且水浴過程中部分水分子形成水蒸氣有關(guān)。由此推斷，4號(hào)試管（圖1b）中附著于管壁上的氣泡也一定含有空氣或水蒸氣成分。但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，4號(hào)試管底部另有一串體積更為細(xì)小的氣泡生成，顯然這才是H2O2在90℃水浴條件下分解生成的O2。為了便于觀察，通常觀察者會(huì)將4號(hào)試管脫離水浴環(huán)境，導(dǎo)致反應(yīng)體系溫度降低，而H2O2只有在較高的溫度下才會(huì)有比較明顯的分解［3］，因此串珠狀的O2氣泡的生成會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)變緩甚至消失，而容易造成沒有O2生成的錯(cuò)覺?？梢姡J(rèn)為90℃反應(yīng)體系中觀察到的氣泡不是O2氣泡，是由于僅觀察到了附著于管壁的氣泡而做出的錯(cuò)誤判斷。

圖1 90℃水浴中的H2O2與蒸餾水生成的氣泡

4.2 H2O2在不同條件下的分解 如圖 2，3%H2O2溶液加入含有過氧化氫酶的生物組織研磨液（2、5號(hào)）或純酶液（3號(hào)）后，各錐形瓶中液面上均有明顯的群聚泡沫生成，而加入FeCl3的4號(hào)錐形瓶液面上僅出現(xiàn)少量聚集氣泡，同時(shí)4只錐形瓶溶液中均可見不斷生成的細(xì)小氣泡，這些現(xiàn)象顯然與上述反應(yīng)體系中的H2O2分解生成了O2有關(guān)。從泡沫生成多寡來看，反應(yīng)10 min時(shí)，5號(hào)（豬肝研磨液）生成的最多，3號(hào)（0.1 mol／L 過氧化氫酶）、2號(hào)（土豆研磨液）次之，最少的則是 4號(hào)（0.1 mol／L FeCl3）。 但以氧氣傳感器收集的數(shù)據(jù)分析，此時(shí)錐形瓶中氧氣濃度最高的并非5號(hào)（豬肝研磨液，平均 O2濃度為 27.8%），而是 4號(hào)（FeCl3，平均O2濃度為 29.6%），且泡沫量次之的3號(hào)（0.1 mol／L 過氧化氫酶）平均 O2溶度（28.6%），也高于泡沫量最多的5號(hào)（豬肝研磨液）。有報(bào)道表明，蛋白質(zhì)是一種助泡物，其吸水后能形成水凝膠性質(zhì)的表面膜，有助于溶液中泡沫的生成與穩(wěn)定［4］。上述各實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)體系中的蛋白質(zhì)組分不同，對(duì)泡沫現(xiàn)象的影響不可忽視，即反應(yīng)體系中O2生成量并非決定泡沫量的唯一因素。因此，相同時(shí)間內(nèi)反應(yīng)體系中可見泡沫的多寡不足以說明體系中O2生成速率的快慢。

圖2 H2O2在不同條件下的分解（反應(yīng)10 min）

此外，在教學(xué)實(shí)踐中，由于溶液內(nèi)部生成的氣泡處于上升狀態(tài)，導(dǎo)致觀察者無法從數(shù)量上對(duì)其作出準(zhǔn)確判斷，因此會(huì)僅以液面上方已經(jīng)形成的泡沫量為觀察指標(biāo)，而略去了對(duì)上升氣泡的數(shù)量統(tǒng)計(jì)。但從圖3可見，在反應(yīng)開始的60 min內(nèi)，生成的泡沫量并不同的3、4、5號(hào)錐形瓶，O2濃度變化曲線卻基本吻合，可見上升氣泡所攜帶的O2量也是不容忽視的關(guān)鍵因素。因此，在H2O2分解過程中，試圖通過視覺觀察而對(duì)O2生成量的多寡做出大致判斷是無法實(shí)現(xiàn)的，以“氣泡產(chǎn)生數(shù)量”為本實(shí)驗(yàn)觀測(cè)比較的指標(biāo)，科學(xué)性不夠充分。

圖3 不同條件下氧濃度變化曲線

5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的必要性及可行性

此外，原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中另一個(gè)觀測(cè)指標(biāo)“點(diǎn)燃衛(wèi)生香的燃燒程度”，易受衛(wèi)生香干燥程度、反應(yīng)溫度、肝臟研磨液新鮮程度等因素的影響［5］，加之反應(yīng)體系中有H2O生成，引起反應(yīng)體系上層空間濕度增加，點(diǎn)燃的衛(wèi)生香通常并不容易燃燒［6］。可見，此指標(biāo)受無關(guān)變量影響的可控性較差，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定。因此，以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)思路進(jìn)行的“比較過氧化氫在不同條件下的分解”，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在缺陷，無法很好地幫助學(xué)生達(dá)成對(duì)相關(guān)概念的生成與理解。

2018年教育部頒布了 《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，新課程標(biāo)準(zhǔn)在“加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的實(shí)施建議中明確指出：教師應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多樣化；在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也要重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)［7］。已有研究表明，在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中設(shè)計(jì)一些定量實(shí)驗(yàn)，不僅可幫助學(xué)生樹立“量化”意識(shí)，學(xué)會(huì)用數(shù)據(jù)表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，還可探尋各因素之間的量化關(guān)系，進(jìn)行邏輯思維的訓(xùn)練［8］。同時(shí)，伴隨著數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的推廣與運(yùn)用，使得在高中階段以定量實(shí)驗(yàn)的思路優(yōu)化該實(shí)驗(yàn)成為可能。

6 優(yōu)化的建議及方案

綜上分析，建議在教學(xué)實(shí)踐中，結(jié)合數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)。表3是筆者提出的實(shí)驗(yàn)方案，以供參考。

表3 “比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)方案