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探究生物体维持pH稳定的机制实验


探究生物体维持 pH 稳定的机制
1 实验目标 “生物体维持 pH 稳定的机制”实验是新课程标准中建议的一项探究实验活动,旨在使 学生能从通过比较自来水、缓冲液和生物材料在加入酸或碱后 pH 的变化,推测生物体 是如何维持 pH 稳定的。通过学习,有助于学生关注自身和他人的健康问题,形成自我 保健和关爱他人的意识,使学生更容易理解稳态的生理意义。 2 材料用具 防护手套、50ml 烧杯、50ml 量筒、彩色铅笔、广泛 pH 试纸和精密 pH 试纸、 0.1mol/LHCL、0.1mol/L NaOH、镊子 1 把、表面皿、玻璃棒、天平等。需要提前准备的 实验材料有:肝匀浆、马铃薯匀浆、稀释鸡蛋清、黄瓜匀浆、PH=7 磷酸缓冲液。 3 探究活动

提出问题:在一定范围内,生物体为什么能维持 pH 稳定? 提示:引导学生从内环境组成成分出发,分析酸碱等代谢产物对血浆、组织液、淋巴中 化学物质的影响,可就此广泛提出问题,进而提炼出比较有探究价值的问题。 确定实验题目:生物体维持 pH 稳定的机制。 做出假设:内环境中含有许多对对酸碱度起缓冲作用的物质,当机体运动产生大量酸或 碱,内环境中缓冲物质就分别对应地与之反应,加以调节,可使内环境中酸碱度在一定 范围内不会发生很大变化,从而维持在相对稳定的状态。 实验预期:仅在某一阶段内,生物材料 pH 稳定;而且不同的实验材料缓冲效果不同。 设计实验方案:首先制定探究计划,准备材料用具:分别制备肝匀浆、马铃薯匀浆 、 稀释鸡蛋清、 黄瓜匀浆、 精确的缓冲溶液。 接着实施计划: 先画这样一个记录表 (附 1) , 便于实验结果的记录。实验材料有自来水、缓冲液和任选两种生物材料,试剂有 0.1mol/LHCL 和 0.1mol/LNaOH 两种。在等量的四种材料中,分别、依次加入 5 滴、10 滴、15 滴、20 滴、25 滴、30 滴的酸碱液滴后,测定并记录溶液的 pH。待表格完成后, 再通过做图,组织学生讨论后得出结论:究竟生物体是如何维持 pH 稳定的,并说出不

同实验材料 pH 变化的特点。最后在班级内交流各自报告,比较研究结果,就发现问题 进行讨论。 实验操作 制备实验材料. 1)制备肝匀浆: 5g 新鲜动物肝脏切碎, 将 用研钵研磨成糊状, 然后加入 50ml 蒸馏水, 混匀后倒入试剂瓶中(弃渣)即可。 2) 制备马铃薯匀浆:将 20g 新鲜马铃薯切碎,用研钵研磨成糊状,然后加入 60ml 蒸 馏水,混匀后倒入试剂瓶中(弃渣)即可。 3) 稀释鸡蛋清:在蛋壳两头各敲一个小孔,从一头将蛋清缓慢倒出,然后用水 5:1 : 稀释鸡蛋清后倒入试剂瓶中即可。 4) 制备黄瓜匀浆:将 20 新鲜黄瓜切碎,用研钵研磨成糊状,然后加入 60ml 蒸馏水, 混匀后倒入试剂瓶中(弃渣)即可。 5) 制备 pH=7 磷酸缓冲液: 用市场上购买的成套 pH 缓冲剂中的混合磷酸盐试剂配置 而成。使用时剪开袋口,把内容物倒入 250ml 容量瓶中,加不含二氧化碳的蒸馏水至刻 度,搖匀,即得精确的缓冲溶液。 [需要向学生说明:缓冲溶液是外加酸碱后,pH 的变化很小的溶液。它常是一种弱酸 及该酸的强碱盐或一种弱碱及该碱的强酸盐(缓冲对)的混合物。] 6) 0.1 mol/L NaOH:将 4 g NaOH 放在 1 L 的烧杯内,缓缓加入 500 mL 蒸馏水,不 停地搅拌直至溶解。然后定容至 1 000 mL。 7)0.1 mol/L HCl:将 8 mL 浓盐酸加于 500 mL 蒸馏水中,再定容至 1 000 mL。 以 4 人为一组。在记录本中,画一个如(附 1)所示的记录表。 附1

取 1 只 50ml 烧杯,用量筒量取并加入 25ml 自来水。 (注意:使用量筒量液时,应把量筒放在水平的桌面上,使眼的视线和液体凹液面的最 低点在同一水平面上,读取和凹面相切的刻度即可。不可用手举起量筒看刻度。量取指 定体积的液体时,应先倒入接近所需体积的液体,然后改用胶头滴管滴加。) 测定自来水的初始 pH。 取一小块试纸放在表面皿上,用沾有待测液的玻璃棒或胶头滴管滴于试纸的中部,观察 颜色的变化,得出 pH 并作记录。 (注意:试纸不可直接伸入溶液;测试溶液的 pH 值时,不可事先用蒸馏水润湿,这就 相当于稀释了。可以先用广泛 pH 试纸估计 pH,再用精密 pH 试纸测出起始的 pH。) 分别向烧杯中滴加 0.1mol/L HCL,一次一滴,然后轻轻摇动。当加入到 5 滴、10 滴、 15 滴、20 滴、25 滴、30 滴时,分别测 pH,并作记录。 (注意胶头滴管的使用方法: 用无名指和中指夹住滴管的颈部,用拇指和食指捏住胶头. 排除胶头里面的空气后, 再深入到液面下, 松开大拇指和食指, 将所需溶液吸入滴管内; 滴加液体时,应把胶头滴管垂直移到容器上方,轻轻挤压胶头,使液体滴入试管内;最 后插回滴瓶。) 充分洗涤烧杯,重复上述步骤,不同的是,这次滴加的是 0.1mol/L NaOH,作好记录。 思考:如果实验中滴加 HCL 或 NaOH 时,多加了一滴怎么办?提示:可用酸碱中和的方法 亦可重新操作。

思考:如果实验过程中, 有酸、 碱洒落或溅出怎么办?提示:盐酸、 氢氧化钠皆有腐蚀性, 应避免它们与衣服、皮肤和眼睛接触,也不要入口。若有酸、碱洒落或溅出,应立即用 水冲洗 15 min,并告诉老师 提示:由于四位同学合作实验,每人可选取一种材料,同步进行。 充分冲洗烧坏,用缓冲液代替自来水,重复步骤 3 至步骤 5,记录结果。 充分冲洗烧坏,用几种生物材料分别代替自来水,重复步骤 3 至步骤 5,记录结果。 待表格完成后(附 2),根据所得数据,以加入酸和碱的滴数为横轴,以 pH 为纵轴, 在坐标纸上画出各材料的 pH 变化曲线(附 3)。不同实验材料用不同颜色加以区分。 附2

推出结论 仅在某一阶段内,生物材料 pH 稳定;而且不同的实验材料对酸或碱的缓冲效果不同。 对酸缓冲能力依此增加的是:自来水<黄瓜匀浆<马铃薯匀浆<肝匀浆<鸡蛋清<缓冲液; 对碱缓冲能力依此增加的是:自来水<鸡蛋清<马铃薯匀浆<黄瓜匀浆<肝匀浆<缓冲液。 表达与交流 班级内交流各自报告,比较研究结果,就发现问题进行讨论。 4 课题讨论 l)加入 HCl 或 NaOH 后 pH 的变化来说,生物材料是更像自来水还是更像缓冲液? 提示:生物材料加入 HCl 或 NaOH 后 pH 的变化更像缓冲液。 2)分析缓冲液的 pH 变化情况为什么与自来水的不同。 提示:缓冲液加入少量酸碱后,pH 变化不明显。原因是磷酸缓冲液中含有 NaH2PO4/Na2HPO4,其中 NaH2PO4 溶液呈酸性,当加入少量 NaOH 时,可以中和 OH-; Na2HPO4 溶液呈碱性,当加入少量 HCl 时,可以中和 H+。水溶液则不同,因而加入酸 碱后,pH 变化明显。 3)尝试对生物材料维持 pH 稳定的机制进行解释。 提示:生物材料中含有缓冲对 NaH2PO4/Na2HPO4、H2CO3/NaHCO3 等,它们能够对酸 碱度的变化起缓冲作用。此外,机体还可以通过对生理活动进行调节来维持 pH 稳定。 例如,当机体剧烈运动时,肌肉中会产生大量的乳酸和碳酸。乳酸进入血液后,可与血 液中的碳酸氢钠发生作用, 生成乳酸钠和碳酸。 碳酸是一种弱酸, 可以分解成 C02 和水。 血液中的 C02 增多会刺激呼吸中枢,使呼吸运动增强,增加通气量,从而将 C02 排出体 外,所以对血液的 pH 影响不大。当乳酸钠进入血液后,与血液中的碳酸发生作用,形 成碳酸氢盐,过多的碳酸氢盐可以由肾脏排出。这样由于血液中缓冲物质的调节作用, 以及机体的调节作用,可以使血液的酸碱度维持相对稳定。 5 深化拓展 1)试分析血浆对酸性物质的缓冲作用。

提示:血浆和红细胞中存在着一系列抗酸和抗碱物质,这些物质形成许多缓冲对, 构成一整套的缓冲系统。血浆中的主要缓冲对为:碳酸氢钠( Na HCO3)/碳酸 ( H2CO3)、磷酸氢二钠(Na2H PO4)/磷酸二氢钠(NaH2 PO4)、蛋白质钠盐/蛋 白质。当蒸馏水中加入盐酸(HCl)后,水中的 H﹢浓度立即增加, pH 降为 3 左右。 但当血浆中加入盐酸( HCl)后,血浆 pH 并无明显变化。因为盐酸解离时所释放的 H ﹢已为 NaH2 PO4(碱性磷酸盐)所中和。以化学式表示如下: HCI+Na2H PO4 NaCI+NaH2 PO4

这里,盐酸是一种强酸,解离程度很高,在水溶液中可解高出大量的 H﹢;而中和反应 形成的磷酸二氢钠则是解离程度很低的弱酸,只能释放出少量的 H﹢。因此,溶液中的 H﹢浓度只有微小的增加,这就是缓冲对的抗酸作用的具体表现。 2)通过资料搜索,本实验可选用的几种较理想的实验材料。

生物材料

pH

生物材料

pH

生物材料

pH

苹果

2.9~3.3

牛奶

6.4~6.8



5.8~7.0

扁豆

5.0~6.0

柑橘

3.0~4.0

番茄

4.1~4.4

人血浆

7.3~7.5

豌豆

5.8~6.4

人尿

4.8~8.4

白面包

5.0~6.0

酸菜

2.2~3.5

柠檬

2.2~2.5

胡萝卜

4.9~5.2

人唾液

6.0~7.6

人乳汁

6.6~7.6

玉米

5.0~6.5

鲑鱼肉

6.1~6.3

葡萄酒

2.8~3.8


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