“生物体维持pH稳定的机制”实验改进

马 玲 （北京第十二中学 北京 100071）

《普通高中生物课程标准》倡导探究性学习，发展学生的科学探究能力和科学素养。“个体水平的调节和稳态”内容比较抽象，恰当的实验探究能帮助学生更好地理解稳态。“生物体维持pH稳定的机制”实验选自人教版高中生物学必修3稳态与环境第1章第2节“内环境稳态的重要性”［1］，其目的是通过比较自来水、缓冲液和生物材料在加入酸或碱后pH的变化，进一步解释生物体如何维持pH稳定。

在以往的实验教学中，学生的完成度不高，推测原因主要有以下几方面：若使用pH试纸测溶液pH，颜色不易区分，且要在6 s内读取以防褪色；而若使用pH计或pH传感器测量溶液pH，则学生需要学会相关仪器的使用方法、清洗和维护，而pH传感器读数灵敏，等待时间较长。综合以上因素，很难在1节课内完成多种实验材料的pH测定，并绘制曲线分析pH稳定的机制。

为了让学生从重复清洗、辩色困难中解脱，将精力更多地用于关注实验目的，分析实验结果，笔者设想“让溶液显色，且溶液的颜色随pH变化而呈现颜色梯度变化”，对原实验进行改进。

1 实验原理

在自来水、缓冲液和生物材料中加入混合酸碱指示剂显色，滴加一定滴数的酸或碱后，观察颜色变化，以此推断pH变化。通过比较三者的颜色变化情况，推测生物体如何维持pH稳定。

配制混合酸碱指示剂的方法［2］：

按表1的配方称取试剂后研磨均匀,用200 mL 95%酒精润湿并溶解，加150 mL蒸馏水稀释，用0.1 mol/L的NaOH溶液中和直至溶液显绿色，再加水至400 mL。其pH值为8.1。

表1 混合酸碱指示剂配方

表2显示pH 4～10范围内，溶液酸性不同，呈现不同的颜色。可将混合酸碱指示剂溶液直接加入待测液中观察颜色以测定pH，也可将试纸润湿后晾干制成pH试纸供测试时参考比色。

表2 混合酸碱指示剂显色范围

2 实验材料

0.1 mol/L NaOH（滴瓶）、0.1 mol/L HCl（滴瓶）、混合酸碱指示剂（滴瓶）、自来水、pH=7的磷酸盐缓冲液、生物材料（用5倍水稀释的蛋清溶液、用5倍水稀释的大白菜匀浆、用5倍水稀释的黄瓜去皮后匀浆等）；50 mL锥形瓶、50 mL量筒、滴管。

3 实验步骤

1）绘制实验记录表。

表3 实验记录

2）取 6 个 50 mL 锥形瓶，标记为 1、2、3、4、5、6，分别向1、2号锥形瓶中加入25 mL自来水，3、4锥形瓶中加入25 mL磷酸盐缓冲液，5、6号锥形瓶中加入25 mL蛋清溶液。

3）分别向6个锥形瓶中滴入3滴混合酸碱指示剂，观察颜色并记录。

4）分别向 2、4、6号锥形瓶中滴加 0.1 mol/L HCl，1次加1滴，然后轻轻摇动。加入5滴后再记录颜色。重复该步骤直至加入30滴为止。将测定结果记入表中。

5）充分冲洗 2、4、6号 3个锥形瓶，并分别向其中加入与步骤2相同的25 mL自来水、25 mL磷酸盐缓冲液和25 mL蛋清溶液，并滴入3滴混合酸碱指示剂，观察颜色并记录。再如步骤4，逐滴加入0.1 mol/L NaOH，测定并记录颜色。

6）测试其他生物材料，可省略 1、2、3、4 号锥形瓶，其他步骤同上。

4 实验结果和结论

4.1 实验结果（表4）

表4 实验记录

或记录颜色变化（表5）。

表5 颜色变化

自来水中加入混合酸碱指示剂后颜色呈青色。加入1滴HCl，颜色立即变绿，并随着滴加量的增加，颜色变化更加剧烈。而加入1滴NaOH后，溶液变蓝色，并随着滴加量的增加，颜色更深。

磷酸盐缓冲液中加入混合酸碱指示剂后颜色呈绿色。加入1滴HCl或NaOH后，颜色不变，直至加入30滴后，颜色基本不变。

蛋清溶液中加入混合酸碱指示剂后颜色呈青色。加入1滴HCl后，颜色不变，直至加入15滴后，颜色变绿。而加入1滴NaOH后，颜色不变，直至加入10滴NaOH后，颜色变蓝。

黄瓜溶液初始为浅黄色，加入混合酸碱指示剂后呈黄色。加入1滴HCl后，颜色不变，直至加入15滴后，颜色变为橙色。而加入1滴NaOH后，颜色不变，直至加入5滴NaOH后变绿。

大白菜溶液初始为浅黄色，加入混合酸碱指示剂后呈黄色。加入1滴HCl后，颜色不变，直至加入10滴后，颜色变为橙色。而加入1滴NaOH后，颜色不变，直至加入5滴NaOH后变绿。

4.2 结论 根据实验结果发现，加入HCl或NaOH后的生物材料pH的变化，更类似于缓冲液而不是自来水。不同生物材料的缓冲能力有差异，蛋清溶液的缓冲能力强于大白菜。

5 教学实践与反思

1）笔者采用以上方案进行学生分组实验，每2人一组，在40 min内可以完成以下教学内容：测定自来水、缓冲液和至少3种自选生物材料的pH变化；填写pH与颜色变化相关表格；不同组的学生分析比较加入HCl或NaOH后，自来水、缓冲液和生物材料的pH变化，以及不同生物材料的缓冲能力差异等；对“缓冲”“稳态”等概念进行深入的讨论。

与教材中实验相比，不再使用pH试纸或pH计，而是改为使用混合酸碱指示剂，其优点在于：①pH试纸或pH计需要反复在试纸上滴加或清洗探头并等待，每次读数所需时间较长，而混合酸碱指示剂直接滴入溶液中显色，颜色易于观察，节约大量时间；②混合酸碱指示剂显色的pH范围虽然略有缩小，但是颜色更容易区分，便于读取和记录；③记录数据时，既可记录具体颜色，也可记录颜色变化起始时间，结果更加直接；④pH计或传感器价格昂贵，易损坏，日常维护要求高；而混合酸碱指示剂配方为常见指示剂，价格便宜，配制方便，易于清洗。

2）为了达到更好的实施效果，建议在组织学生实验时：①教师配制一组pH 4～10范围内酸碱性不同的溶液，呈现不同的颜色进行展示，充分呈现颜色变化，或将试纸浸入上述溶液中润湿后晾干制成pH试纸供学生测试时参考比色。配制方法：用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH稀释后配制pH梯度为4～10的溶液，取2 mL pH溶液，加入2滴混合酸碱指示剂后显色。梯度显色液封口后可以较长时间放置。②选择多种合适的生物材料，尽量减少颜色的干扰，初始pH在混合酸碱指示剂显色范围内。③配制生物材料溶液时，根据不同的稀释度，调整记录的滴数差或调整滴加所用的酸或碱的浓度，以得到更加直观的缓冲范围。例如，对于用5倍水稀释的大白菜匀浆、用5倍水稀释的黄瓜去皮后匀浆等材料，可以采取每滴加1滴酸或碱后进行记录，也可以使用0.05 mol/L NaOH或HCl。

主要参考文献

［1］朱正威，赵占良.生物：必修3：稳态与环境.北京：人民教育出版社，2007.

［2］黄春，岳京立.医用化学.武汉：华中科技大学出版社，2010：45.

［3］中华人民共和国.普通高中生物课程标准.北京：高等教育出版社，2003.