利用手持技术探究不同酸碱环境下生物体pH变化的规律-论文.pdf

2 0 1 4年第 9期 化 学 教 育 h t t p n v w h x j y o r g 利用手持技术探究不 同酸碱环境 下生物体 p H变化的规律 周群力 钱扬义 1 广东广州市第二 中学5 1 0 5 3 0 2 华南师范大学化学教学 与资 源研究所广东广州 5 1 0 0 0 6 摘要利用手持技术数字化实验新手段做经典实验 通过p H传感器实时监测了去离子水 磷 酸盐缓冲溶液 碳酸盐缓冲溶液 猪肝研磨液 新鲜和变质 和 生菜研磨液 新鲜和 变质 等溶 液分别在酸 碱滴定过程 中 p H 的变化 依据实验曲线和数据并结合相关生物化学知识 定量分析 和比较了各物质滴定结果 从而证 明在不 同酸碱环境下生物体能够在一定范围内维持 p H 稳定并解 释 了其原 因 关键词 手持技术 数字化实验 去离子水 缓冲溶液 猪肝 1 问题 提出 生物体维持 p H稳定的机制 是 普通高中 课程标准实验教科书 生物必修 3 稳 态与环境 教材 人教版 中经典的学生实验口 该实验是传 统的玻璃实验 其实验设计方案为 取 4只 5 0 mL 的烧杯 分别倒 人 2 5 mL的 自来水 缓 冲液 生 物材料 1 生物材料 2 在 4只烧杯中分别每一次 加 1滴 0 1 mo l L的 HC 1 溶液 然后 轻轻摇 动 加人 5 滴后再用 p H 试纸分别测其 p H 重复这一 步骤直至加入 了 3 0滴为止 将 每一 步所测 p H 记 人表格 再按之前的步骤滴加 0 1 mo l L的 Na OH 溶液测 p H并记录数据 最后将这些数据点于以酸 或碱 的滴数为横轴和以 p H为纵轴的坐标轴上 通过描点法得出各溶液 p H 的变化曲线 2 笔者 以 生物体维持 p H稳定的机制 内环境稳态 等 为主题 在 中 国期 刊 网 C NKI 和 万 方 数 据 库 WANG F ANG D AT A 进行检索 发现只有 2篇 文献 涉及相关实验 他们做法的共同特点是滴 人酸或碱后用 p H 试纸或 p H计来测 当前 p H 然 后把数据录入表格 最后通过描点法画出 p H 随滴 数增加的变化曲线 但 以上方法有如下一些缺点或 不足 1 用 p H试纸测 p H不够快速准确 2 每次测量都会损耗溶液 3 需要纸笔记录的数据 多 耗时长 4 把一个传统的定量实验用描点法 得出曲线 结果不够精确 随着信息技术的发展 国内外许多学者和一线 教师开始研 究 和应用 手持技 术数 字化 实验 s l z 也被越来越多的人引人中小学课堂 1 引 手持技术 的国产化也使这种革命性的实验器材价格更为 平 易近人 它能够克服以上 实验 的缺点并能够 自动 绘制出曲线 还能 够结合配套软件进行数据处理 打破了中学化学实验以定性实验与验证性实验为主 的局面 1 本文利用手持技术与滴定 管 1 5 相整合 的实验方案改进 生物体维持 p H稳定的机制 这 一 传统实验 以提供给大 家一个参考 希望通过 p H传感器与滴定管协 同操作 和曲线的对 比分析 帮助学生学习以图示处理科学实验数据的方法 体 会定量试验在 自然科学研究中的作用 以及从定量 的角度理解生物体维持 p H稳定的原因 为此 笔 者设计 了以下实验方案 2 实验设计 2 1 实验方案 在传统的中学实验条件下 测试 p H 最普遍 的 方法是使用 p H试纸 而 p H试纸的测试只限于定 性 无法测量到溶 液 中 p H 的微弱 变化 此外 传统实验还存在操作烦琐 损耗时间 损失溶液 描点曲线精度低等问题 笔者的改进实验通过手持 技术数字化 p H传感器与滴定装置的整合 选取五 种具有代表性的溶液相互对比参照 还选做了变质 生物材料的滴定 实验 中的各种变量均可控 正交 实验的开展顺序 如表 1所示 最后 依据 四重表 征 理论 6 展开分析 从定量 的角度 阐释生 物体 维持 p H稳定的原因 该改进实验课可为相关 内容 教学与曲线表征题编制提供更好的帮助 实际教学 中根据情况灵活选择学生实验或演示实验 广东省 中小学教学研究 十二五 规划重点课题 中学化学手持技术数字化创新实验案例开发与实施 研究 编号 J l l 一 0 5 5 通信联系人 E ma i l q i a n y y s c n u e d u c n 化学教育 h t t p w ww h x j y o r g 2 0 1 4 年第 9期 表 1 改进实验方案正交实验表 实验材料 滴定液 去离 子水 磷 酸盐缓 冲溶液 碳 酸盐缓 冲溶液 新 鲜猪肝 新 鲜生菜 变质猪肝研磨液 变质生菜研磨液 0 0 1 mo l I HC1 溶液 实验 实验 实验 实验 实验 实验 实验 0 0 1 mo l L 实验 实验 实验 实验 实验 实验 实 验 Na OH溶液 2 2 实验原理 1 动物体维持 p H稳定机理 动物体内各器官系统组织液 p H 的调节涉及许 多重要的生理机制 细胞生理和代谢的平衡有赖于 内环液的缓冲作用来维持 p H 的稳定 内环液有两 种缓冲系 其 中最重要的一种就是无机盐的缓冲作 用 生物体 内主要 含有 缓 冲对 C O 一一 HC O 和 HP O 一H P 0 4 前者 含量 大 缓 冲作 用也 大 在机体内经常起作用 后者含量低 缓冲作用不 大 但都能够对酸碱度的变化起到缓冲作用 另一 种缓冲系称为蛋 白质缓冲 蛋白质分子是多价 的两 性物 a mp h o l y t e 能够吸收 H 或 OH 对 p H 的改变起缓冲作用口 2 植物体维持 p H稳定机理 机体在代谢过程中不断产生酸性 和碱性物质 机体通过调 节机构维持 p H 于一定 范 围内口 植 物液 泡 是 细 胞 内 许 多 物 质 的储 藏 库 如 K Na Ca 抖 C 1 一 磷酸盐 柠檬酸 苹果酸和多 种氨基酸等 当植物体内代谢的中间产物积累至过 量就会使细胞质 p H 下降 引起许多酶的失活 造 成代谢紊乱 这时植物会转移这些引起 p H变化的 物质到液泡中 与其中的磷酸盐缓冲对反应 可保 持细胞质 p H稳定 1 3 主要化学离子反应 C O 一 H HC O a HC O OH一 C O 一 H2 O HP 0i 一 H H2 P Oi H2 P O OH一 HP O i 一4 H2 O 2 3实验用品 实验仪器 带磁力搅拌装置的铁架台 容量瓶 2 5 0 mI 烧杯 2 5 0 mL和 5 0 mL 酸式滴 定 管 2 5 mL 碱式滴定管 2 5 m L 胶头滴管 玻璃棒 小 刀 研 钵 纱 布 数据采 集器 型号 5 2 9 一 US B p H 传感 器 型 号 DT 0 1 7 量 程 0 1 4 电子计算机 需安装 Mu l t i I a b软件 实验药品 0 1 mo l L的 HC 1 溶液 0 1 mo l I 的 Na OH 溶 液 去离 子水 磷 酸 盐缓 冲溶 液 碳酸盐缓冲溶液 新鲜猪肝 新鲜生菜 2 4 实验步骤 1 材料准备 将 当天从农 贸市场上买来的新鲜猪肝切成小块 放人研钵 加入一定量去离子水研磨 现磨现用 之后将研磨液倒人大烧杯中静置 将当天从农贸市 场上买来 的新鲜生菜切碎后放人研钵研磨 将每次 研磨 出的菜汁倒人大烧杯 中静置 配制 0 1 mo l L 的 HC 1 溶液 0 1 mo l L的 Na OH 溶液 p H 7 的磷酸盐缓冲溶液 p Hil O的碳酸盐缓 冲溶液 2 装杯待测 取 5只 5 0 mL的小烧杯 分别倒人 3 o mI 的 去离子水 磷酸盐缓冲溶液 碳酸盐缓冲溶液 猪 肝研磨液上清液和生菜研磨液上清液 并编号 3 仪器组装 用待装盐 酸溶 液润洗 酸式 滴定 管 装入 0 1 mo l L的 HC1 溶液并读数 按照 图 1 组 装实验装 置 将数据采集器与电脑正确连接后 设置样本采 集频率为 1 O 次 秒 采集时长为手动停止 带铁架的盛力搅拌器 p H探头 蓑有符谢溶液的烧杯 酒 定管 p H 遁配器 数据采集器 电麓机箱 电脑显示屏 图 1实验装置示意 图 4 酸滴定实验 将搅拌磁子放人待测溶液 启动磁力搅拌器和 数据采集器 运行一段 时间后 调整滴定管旋钮 使滴定液以约每 2 S 1 滴的速度匀速下落 滴定 2 0 1 4年第 9 期 化 学 教 育 h t t p n v w h X j y o r g 1 8 0 S 以上当看到曲线趋于平缓时结束滴定 记录 此时的滴定管刻度并记录 5 碱滴定实验 以 0 1 mo l I 的 Na OH溶 液作 为滴 定液进行 相同的实验 6 数据整理 实验进行完毕后 保存 Mu l t i L a b数据 进行 数据处理 3 实验 结果及 数据分析 3 1 同一种物质在酸 碱中的表现 3 1 1 酸 碱分别滴定去离子水 打开磁力搅拌器使磁子匀速搅动溶液 将 p H 探头放到待测溶液中 开启摄像头 点击 Mu l t iL a b软件上的 r u n 按钮 运行一段时间后 以每 2 s 约 1 滴的速度 不 同型号滴定管流液 口形状大 小的不 同 使流液 口的最后一滴水珠容量示值相差 较大 本实验使用 的滴定管 由天津 玻璃仪器 厂生 产 所以定义每滴液珠约为 0 0 5 3 8 mL 下同 2 o 1 从 B点开始滴加 0 1 mo l L HC 1 的溶液 因为每次 滴定开始有手动误差 所以滴定开始时间在后期减 去前面的数据达到统一 定义 A点为数据记录点 B点为滴定开始点 下 同 滴定起始刻度为 0 0 0 mL 溶液初始 p H为 7 O O 从 开始滴定 的 1 4 6 S 至 2 O 5 S间发生 了滴定 突跃 5 9 S时 间 p H 从 7 O O跌至 3 0 0 之后 p H 随时间变化 的曲线明显 放缓 到终点 时刻度显示 液面到 达 4 6 3 mL处 p H约为 1 8 0 过程 中消耗 0 1 mo l L的 HC1 溶 液 4 6 3 mI p H变化数值为 5 2 0 滴加碱液步骤类似 滴定开始立即发生 明显的 滴定突跃 8 S时间内 p H 从 7 0 0跃 升至 1 1 O 0 之后 p H 随时间变化的曲线明显放缓 到终点时刻 度显示液面到达 1 6 6 2 mL处 p H约为 1 2 7 0 过 程 中消耗 0 1 mo l L的 N a OH 溶液 4 5 2 mL p H 变化数值为 5 7 0 根据以上结果 我们可以看到由于去离子水 中 没有缓 冲对 滴 入 酸和碱 后 马上发 生滴 定突跃 p H有较大程度 的变化 3 1 2 酸 碱分别滴定磷酸盐缓冲溶液 溶液初始 p H 为 7 4 0 从 B点开始滴加 0 1 mo l I 的 HC I 溶液 滴 定始末 p H 随时 间变化 的 曲线接近一条截距为 7 3 7 5 1且斜率为一0 0 0 3 5的 直线 过 程 中消耗 0 1 mo l L 的 HC 1 溶液 4 6 l mL p H变化数值为 0 7 0 滴加碱液步骤类似 滴定始末 p H 随时间变化 的曲线接近一条截距为 7 3 0 8 4 且斜率为0 0 0 3 8 的 直线 过程中消耗 0 1 mo l L的 Na oH 溶液 4 5 6 mL p H变化数值为 0 6 O 根据以上结果 我们可以看到磷酸盐缓冲溶液 的抗 酸碱冲击能力较强 滴人超过 4 mL的 0 0 1 mo l L强酸及强碱 p H变化依然不超过 1 说明磷 酸盐缓冲溶液中的缓冲对在少量酸碱干扰的情况下 确实能够一定 的的缓冲作用 维持 p H在小范围内 基本稳定 3 1 3 酸 碱分别滴定碳酸盐缓冲液 溶液初 始 p H 为 9 9 7 从 B点开始滴加 0 1 mo l L的 HC 1 溶 液 滴定始末 p H 随时 间变化 的 曲线接近一条截距为 1 0 1 0 4 0 斜率为一0 0 0 4 6 的 直线 过 程 中消耗 0 1 mo l L 的 HC I 溶 液 4 8 5 mL p H变化数值为 0 7 8 滴加碱液步骤类似 滴定始末 p H随时间变化 的曲线接近一条截距为 9 9 6 0 8 斜率为 0 0 0 6 5的 直线 过程中消耗 0 1 mo l L的 Na OH 溶液 5 0 1 mL p H变化数值为 0 1 0 根据以上结果 我们可以看到碳酸盐缓冲溶液 的抗酸碱冲击能力较强 尤其是抵御碱对溶液 p H 影响的能力较强 溶液中滴人 5 0 1 mL 0 1 mo l L 的 Na OH溶液 p H 变化 只有 0 1 0 说明碳酸盐缓 冲溶液 中的缓冲对在少量酸碱干扰 的情况下确实能 够起到一定的缓冲作用 使 p H在小范围内基本 稳定 2 0 0 2 o 40 B 口 1 o 1 2 o 1 4 0 6 o 18 0 2 00 时问 s 图 2 新鲜的猪肝研盾液酸碱滴定 p H曲线对 比 3 1 4 酸 碱分别滴定新鲜的猪肝研磨液 溶液初始 p H 为 6 9 9 从 B点开始滴加 0 1 mo l L的 HC1 溶液 滴定始末 BD段 p H 随时间变 化 的 曲 线 接 近 一 条 截 距 为 7 0 0 4 6 斜 率 为 0 0 1 6 6 的直线 到终 点时 p H 为 4 6 0 过程 中 消耗 0 1 mo l L的 HC 1 溶液 5 1 O mL p H变化数 值为 2 4 1 滴加碱液步骤类似 滴定始末 BC段 p H 随时 间变化的曲线接近一条截距 为 6 9 3 6 9 斜率为 化学教育 h t t p ww w h x j y o r g 2 0 1 4年第 9 期 0 0 0 8 3的直线 到终点 时 p H 为 8 4 4 过程 中消 耗 0 1 mo l L的 Na OH溶液 5 0 1 mL p H变化数 值为 1 4 4 由于生物材料的缓冲机理较为复杂 根据 四重 表征理论 我们 以图 2曲线 为依 据 通过 分析 对应着每个变化曲线 段宏 观 微观和符号的情 况 直观的了解新鲜猪肝研磨液 p H变化机理 如表 2 所示 表2 新鲜的猪肝研磨液p H变化的四重表征分析 曲线段 曲线 走势 宏观 现象 微观 主要微粒 符号 离子 方程式 AB 线段平直 溶液稳定 C Ol 一 HC Og HP i 一 H2 P O 逐渐上升 碱液滴人 HC 0 0H C Oi H2 0 B C 0H 一 C 一 HP 一 斜率 0 0 0 8 3 液面上升 H2 P o oH HP oi 一 Hz O 逐渐下 降 酸液滴人 c ol I H HC Og B D H HCO2 H2 P0 斜率 一0 0 1 6 6 液 面上升 HP 0i H H2 P 0 根据 以上结果 我们可 以看到新鲜的猪肝研磨 液具有一定的抗酸碱冲击能力 抵御碱对溶液 p H 影响的能力 比酸的稍强 3 1 5 酸 碱分别滴定新鲜的生菜研磨液 溶液 初始 p H 为 6 6 7 从 B点开始滴 加 0 1 mo l I 的 HC 1 溶液 BD段 p H 随时间变化 比较剧 烈 通过 线 性 拟合 得 到 该 段 近 似为 一 条 截距 为 7 7 5 7 9 且斜率 为 一0 0 7 6 4的直线 DF段 曲线变 化逐渐平缓 接近一条截距 为 5 1 8 4 4 斜 率为 一 0 0 1 6 7的直线 到终点 时 p H 为 2 4 9 这个过程 中消耗 0 1 mo l L的 HC 1 溶液 4 7 O mL p H变化 数值为 4 1 8 滴加碱 液 步 骤 类 似 从 B 点 开 始 滴 加 0 1 mo l L的 Na OH溶液 B C段 p H 随时间变化 比较 剧烈 通过线性拟合得到 该段近似 为一条截距 为 5 5 8 6 7且斜率为 0 0 6 6 4的直线 C E段曲线变化 逐 渐 平 缓 接 近 一 条 截 距 为 9 6 0 9 4 斜 率 为 0 0 0 4 9的直线 到终点时 p H为 1 0 4 8 过程中消 耗 0 1 mo l L的 Na OH溶液 5 0 4 mL p H变化数 值为 4 7 7 王 6 U u Z U I 叫 f q u w 时问 s 图 3 新鲜的生菜研磨液酸碱滴定 p H 曲线对 比 我们以图 3曲线为依据 通过分析对应着每个 变化曲线段宏观 微观和符号的情况 直观地了解 新鲜生菜研磨液 p H变化机理 如表 3 所示 表 3 新鲜的生菜研磨液 p H变化的四重表征分析 曲线段 曲线 走 势 宏 观 现象 微 观 主要 微粒 符号 离子方程式 AB 线段平 直 溶液稳定 HP ol 一 Hz P O BC 上升斜 率 0 0 6 6 4 碱 液滴人 液面上升 0H一 HP 一 H2 P Oi 0H一手 HP 一 H2 O CE 上升斜率 0 0 0 4 9 碱液滴人 液面上升 0H HP Ol Hz P Oi OH HP 一 Hz O B D 下降斜率一O 0 7 6 4 酸液滴人 液面上升 H Hz P 0 HP Ol一 H H2 P 0 DF 下降斜率一O 0 1 6 7 酸液滴人 液面上升 H H2 P 0 UP ol一 H i H2 P 0 根据 以上结果 我们可以看到新鲜 的生菜研磨 液具有一定的抗酸碱冲击能力 抵御酸对溶液 p H 影响的能力 比碱 的稍强 3 2 不 同新鲜 程度生 物材 料分别 在酸 碱 中的 表现 3 2 1 酸 碱分别滴定新鲜和变质猪肝研磨液 笔者在配制实验材料时 将新制的新鲜猪肝研 磨液两等分倒入两个洁净的 2 5 0 mL烧杯中 一个 现配现用 另一个放置 了 2 4 h后再滴 定 放置 了 2 4 h的猪肝研磨液能够明显 闻到腐败变质的臭 味 滴定曲线如图 4所示 p H 探头测得新鲜猪肝研磨 液的初始 p H为 6 9 9 而变质猪肝研磨 液初始 p H 为 4 7 9 用 0 1 mo l L的 HC 1 溶液滴定新鲜猪肝 研磨液 滴 定始末 B C段 曲线近似截距 为 7 0 0 4 6 且斜率为一0 0 1 6 6的直线 滴定变质猪肝研磨液 滴定始末 E F段曲线近似截距为 4 7 6 9 4且斜率为 一 0 0 0 5 7的直线 1 8 0 s 计 时处 新鲜猪 肝研 磨液 p H为 4 5 8 而变质猪肝研磨液 为 3 8 5 p H 变化 2 0 1 4 年第 9 期 化学 教育 h t t p 唧 h x j y o r g 率分别为 2 4 1和 0 9 4 用 0 1 mo l L的 N a O H溶液滴定新鲜猪肝研 磨液 滴定始末 BC段 曲线近似截距为 6 9 3 6 9 斜 率为 0 0 0 8 3 的直线 滴定变质猪肝研磨液 滴定 始末 DF 段 曲线 近 似 截 距 为 4 0 3 6 4且 斜 率 为 0 0 2 0 3的直线 1 8 0 秒计时处新鲜猪肝研磨液 p H 为 8 4 4 而变质猪肝研磨液为 7 5 7 p H变化率 分别为 1 4 5和 2 7 8 2 O 0 2 O 4 O 8 0 oo 1 2 0 1 40 8 O 2 0 0 2 0 O 2 0 4 O 6 0 8 o 0 o 1 2 0 1 4 0 1 60 1 8G 2 00 时闯 s 时 间 s 化 图 4 酸 碱分别滴定新鲜和变质猪肝研磨液对 比 由以上数据 可知 新鲜猪 肝研磨 液放置 了 2 4 初始 p H 为 6 6 7 而变质生菜研 磨液初 始 p H 为 h后 p H降低 了约 2 2 0 变得更酸了 碱滴定变质 5 3 2 用 0 1 mo l L的 HC 1 溶液滴定 新鲜生菜研 猪肝研磨液时 p H变化率 比酸滴定更剧烈 磨液 滴定始末 B C段 曲线近似截距为 5 7 4 2 5且 3 2 2 酸 碱分别滴定新鲜和变质生菜研磨液 斜率为 一0 0 2 1 5的直线 滴定 变质 生菜 研磨 液 笔者在配制实验材料时 将新制的新鲜生菜研 滴定始末 E F段曲线近似截距为 5 2 1 5 8且斜率为 磨液两等分倒人两个洁净的 2 5 0 mI 烧杯中 一个 一O 0 1 0 5 的直线 1 8 0秒计时处新鲜生菜研磨液 现配现用 另一个放置了 2 4小 时后再滴定 滴定p H 为 2 4 9 而变质生菜研磨液为 3 4 5 p H变化 曲线如 图 5所示 p H探头测得新鲜生菜研磨液的 率分别为 4 1 8和 1 8 7 2O O 20 40 6 0 8 o 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 8 O 1 80 2 00 2 0 0 2 0 4 0 6 o 8 0 1 0 0 1 2 0 1 40 1 8 o 2 0 0 时问 s 时 间 s 图 5 酸 碱 分别涌 定新鲜和变质 生粟研屠液对 比 用 0 1 m o l L的 Na OH溶液滴定新鲜生菜研 3 3 1 酸滴定各溶液 p H变化值的对比 磨液 BC段 曲线 近 似 截 距 为 5 5 5 7 0 斜 率 为 从图 6中可 以对 比用 0 1 mo l L的 HC l 溶液 0 0 6 7 2的直线 C D 段 曲线 近似 截距 为 8 9 0 9 0 滴定 5 种溶液 p H 随时间变化 的走势 M 点处为开 斜率为 0 0 0 9 6的直线 滴定变质生菜研磨液 F G 始数据采集时间 0点为开始滴加滴定液时间 N 段曲线 近似截距 为 3 3 7 8 3且斜率为 0 0 8 7 0的直 点为计时终止点 从对 比图中可以看出 碳酸盐和 线 GH 段 曲 线 近 似 截 距 为 8 4 6 0 5 斜 率 为 磷酸盐缓冲溶液 p H 随时间变化 曲线最为平直 经 0 0 2 5 9 的直线 1 8 0 s 计时处新鲜生菜研磨液 p H 过线性拟合 它们 的斜率分别为 一0 0 0 4 6和一 为 1 O 4 8 而变质生 菜研磨 液为 1 2 4 9 p H 变化0 0 0 3 5 去离子水 p H随时间变化曲线变化幅度最 率分别为 3 8 1 和 7 1 7 大 新鲜的猪肝研磨液和生菜研磨液对强酸溶液有 由以上数据 可知 新鲜生菜研磨液放置 了 2 4 一定 的缓 冲能 力 但 两 者缓 冲能 力均 弱 于 含有 小时后 p H 降低 了约 1 3 5 变得更 酸了 碱滴定 C O 一一HC O 缓 冲对 和 HP O 一 H P O 缓冲对 变质生菜研磨液时 p H变化率比酸滴定更剧烈 的无机缓 冲液 猪肝研 磨液 p H 减小 了 2 4 1 生 3 3 不同物质分别在酸 碱中的表现 菜研磨液 p H 减小 了 4 1 8 所 以猪 肝研磨液 的酸 拈 z臣 8 O 化学教育 h t t p ww w h x j y o r g 2 0 1 4年第 9 期 缓冲能力强于生菜 M 0 0 邪4 0 60 8 0 1 00 1 ZU 1 40 1 唧 1W 200 时闻 s 图 6用 0 1 mo l L的 H C I 滴定 3 0 n i l各溶液对 比 3 3 2 碱滴定各溶液 p H 变化值的对比 从图 7中可以对 比用 0 1 mo l L的 Na OH 溶 液滴定 5种溶液 p H随时间变化的走势 M 点处为 开始数据采集时间 点为开始滴加滴定液时间 点为计 时终止 点 从对 比图中可 以看 出 碳酸 盐缓冲溶液 p H 随时 间变化 曲线 最为平直 斜率 6 4 8 5 0 1 0 几乎平行 于 X 轴 磷 酸盐缓 冲溶 液 p H 随时间变化曲线平直程度排第二 线性拟合 后斜率为 0 0 0 3 8 去离子水 p H 随时间变化 曲线 变化幅度最大 新鲜 的猪肝研磨液和生菜研磨液对 强碱溶液有一定的缓冲能力 但两者缓冲能力均弱 于含有 c O 一一HC O 缓冲对和 HP Oi 一一Hz P OT 缓 冲对 的无 机缓 冲液 猪 肝 研 磨 液 p H 增 加 了 1 4 4 生菜研 磨液 p H 增加 了 4 7 7 所 以猪 肝研 磨液的碱缓冲能力强于生菜 1 3 1 2 11 O Z 9 8 7 6 船 0 ZU 40 W U uu 1列 1 40 1 bu 1 1 5 1 u 对间I s 图 7 用 0 1 mo l L的 Na OH滴定 3 0 mL各 溶液对 比 4 结论 本 改进 实验方案是一个优 于传统实验 的好方 案 通过分析和 比较 1 4组实验数据 笔者得出了 如下结论 1 不同的实验材料对酸或碱的缓冲效果不 同 对酸缓冲能力依次增加的是 去离子水 生菜 研磨液 猪肝研磨液 碳酸盐缓冲溶液 磷酸盐缓 冲液 对碱缓冲能力依次增加 的是 去离子水 生 菜研磨液 猪肝研磨液 磷酸盐缓冲液 碳酸盐缓 冲溶液 2 生物材料具有一定的缓 冲作用 与不含任 何 缓 冲 离 子 对 的 去 离 子 水 相 比 加 入 HC l或 Na OH后 生物材料 p H 的变化更像缓冲液 新鲜 的猪肝研磨液对抗碱的冲击能力 比酸的要强 新鲜 的生菜研磨液对抗碱的冲击能力 比酸的稍强 3 生物材料 的缓 冲能力与其新鲜程度有重要 关系 变质的生物材料会出现不同程度的酸败且缓 冲能力较 差 因为动 物组织在微 生物污 染的情况 下 成分和感官性状发生变化 蛋 白质经微生物代 谢生成胺 氨 硫化氢 酚 粪臭素 硫化醇等 脂肪发生 酸败 产生醛 酸类l 2 此外 由于笔者 所在地区广州温度和空气相对湿度较高 猪肝受到 外界因素作用也促进了其腐败变质 因此 微生物 的代谢导致 了猪肝研磨液发臭发酸 溶液溶解 了空 气中的 C O 生成 了 H C O 也使其变酸 这些酸败 物质消耗了大量缓冲对离子 所 以其抗酸碱 冲击能 力也减弱了 对于蔬菜 因其酶 的活动 微生物的 生长和采后呼吸引起分解 细胞膜破裂又为微生物 的广泛侵入 与作 用提供 了条件 2 此外 由于笔 者所在地区广州温度和空气相对湿度较高 加速了 微生物的生长速率 进而也促进 了食 品的腐败 变 质 微生物代谢产生的醋酸菌属 丙酸菌属 假单 孢菌属等有机酸使蔬菜酸败 此外 由于溶液溶解 了 空气 中的 C O 生成 了 H C O 从而使生菜研磨液 变酸 这些物质还消耗了植物液泡中的磷酸盐缓冲 对 所以其抗酸碱冲击能力也减弱了 从实验结果 来看 变质 的生物材料缓 冲能力要弱于新鲜的生物 材料 4 动物型生物材料含有多种缓冲对 缓冲能 力强于植物型生物材料 动物型生物材料主要含有 C O i 一 HC O 缓冲对和 HP 0 一 Hz P O4缓冲对 此外动物组织中富含的蛋 白质分子是多价的两性 物 能够吸收 H 或 OH一 它们对 酸碱度 的变化 也起到了缓冲作用 而植物型生物材料缓冲作用主 要只依赖于 HP O 一一H P O 2缓冲对 从实验结果 来看 动物型生物材料缓冲能力强于植物型的 5 含有无机缓冲对的缓冲溶液具有明显的缓 冲作用 滴加少量酸碱后 缓冲溶液 p H变化不明 显 其 原 因是 磷 酸 盐 和 碳 酸 盐 缓 冲 液 中 含 有 2 0 1 4年第 9期 化 学 教 育 h t t p h x j y o r g HP O42 一一H P O4缓 冲对和 C O 一 一HC O 缓冲对 其 中 Na H P O 溶液呈酸性 Na HC O 呈弱碱性 当加入少量 Na OH时 可以中和 OH一 Na 2 HP O4 和 Na C 溶液呈碱性 当加入少量 HC 1 时 可 以中和 H 引 5 特色 1 实验器材新颖 本实验运用手持技术数字 化 p H探头采集数据 能够克服传统玻璃实验的弊 端 直观 动态 实时 准确地记录数据 并运用 相关软件分析结果 快速又可靠 2 实验设计合理 笔者设计了正交实验方案 表 在原料准备方面 比传统实验多增加了碳酸盐缓 冲溶液和变质 的生物材料研磨液 使实验参照和对 比体系更完善 在实验进行 中对各种变量进行 了有 效控制和监测 3 实验方案 可行 通 过酸 碱 滴定不 同溶 液 笔者得到了各种溶液的滴定曲线及其数据 结 合相关软件线性拟合 出了不 同段曲线 的近似斜率 通过 p H的变化率 比较分析了同种溶液酸 碱缓 冲 能力 还根据相关生物化学知识 从不同的角度得 出结论 6 展望 1 将手持技 术数字化 实验 引入传统生 物实 验 可以化繁为简 以往该实验通过每次加 l 滴酸 或碱 搅拌均匀后用 p H试纸测量并记录 每种溶 液都需要重复操作此动作 不仅花费时间长 而且 其 中消耗了溶液 使结果可信度下降 采用数字化 手持技术以后不仅 简化 了操作 而且不损耗溶液 随着手持数字化技术 的发展 物理 化学 生物等 各学科 均可 运用 丰 富 多样 的探 头 进 行定 量 学 科 实验 2 将数字化的化学定量测定方法引入生物实 验 可以使学生更接近科学本质 以往该实