1、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、P
2、H7 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
3、：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：将 5g
4、 新鲜动物肝脏切碎，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 pH7 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，
5、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
6、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
7、 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
8、，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
9、：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-；Na
10、 2HPO4 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、H 2CO3/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
11、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（Na 2H PO4）磷酸二氢钠（NaH 2 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（ H
12、Cl）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：HCINa 2H PO4 NaCINaH 2 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 2.93.3 牛奶 6.46.8 虾 5.87.0扁豆 5.06.0 柑橘 3.04.0 番茄 4.14.4人血浆 7.37.5 豌豆 5.86.4 人尿 4.88.4白面包 5.06.0 酸菜 2.23.5 柠檬 2.22.5胡萝卜 4.95.2 人唾液 6.07.6 人乳汁 6.67.6玉米 5.06.5 鲑鱼肉 6.16.3 葡萄酒 2.83.8
