化学定量分析法测定大鼠呼吸速率的探究实验

来源:用户上传      作者: 汪岱华 王晓蓉 潘立晶

　　摘要　介绍了一种结合中学化学与物理知识定量测定大鼠呼吸速率的实验方法。利用Ba(OH)：吸收密封容器内大鼠呼吸所产生的CO2，生成白色的BaCO3沉淀，通过沉淀量计算大鼠的呼吸速率：并通过气体体积的改变显示大鼠呼吸消耗氧气，体积减少量等于玻璃管内液滴的移动的距离乘以横截面积。实验结果表明：(1)实验组的BaCO3生成量远大于对照组．计算其差值可以定量测定大鼠的呼吸速率；(2)玻璃管内液滴移动明显。因此本次探究证明在中学生物实验教学中可以利用此化学定量分析法测定小型哺乳动物的呼吸速率。
　　关键词　中学生物实验　定量分析　呼吸速率
　　中图分类号　G633.91
　　文献标识码　B
　　
　　在上海二期课改中，高中生命科学教材中关于呼吸作用的知识点，仅在课程起始要求以酵母呼吸作用的演示实验对呼吸作用的概念进行引入，而在整章节中没有设置有关测定生物呼吸作用的学生实验。因此，本次实验考虑在呼吸作用的章节中加入用定量分析法测定动物呼吸速率的学生实验，选取贴近学生生活的小型哺乳动物大鼠作为实验材料，兼顾化学课程中的化学定量分析法以及物理课程的气压与气体体积的知识点。
　　目的是希望可以用定量分析实验替代中学实验中极为常见的定性实验，贯彻综合理科的教学发展目标，并通过本次实验，更好地培养学生的科学素养和研究精神，树立中学生独立思考、严谨踏实的科学精神。
　　
　　1　实验材料与仪器
　　
　　1.1　实验材料
　　Ba(OH)2，墨滴，大鼠，乙醚，凡士林。
　　1.2　实验仪器
　　广口瓶，烘箱，分析天平称量，网兜，玻璃直管，烧杯，玻璃弯管，漏斗，滤纸，铁架台。
　　
　　2　研究方法及原理
　　
　　2.1　呼吸作用
　　动物在O2充足的情况下进行有氧呼吸作用，通常简称呼吸作用，吸收O2释放CO2，分解有机物产生供生命体生长所需的能量。
　　
　　有氧呼吸作用反应式为C6H12O6+6O2＝＝＝6CO2+6H2O，吸收O2与放出CO2之比为1：1。
　　2.2　化学定量分析法
　　本次实验利用Ba(OH)2吸收密封容器内大鼠呼吸作用所产生的CO2，生成白色的BaCO3沉淀。反应式为：Ba(OH)2+CO2====BaCO3↓+H2O。反应特点为反应迅速，且因为BaCO3不溶于水，表现为白色沉淀，反应平衡始终向沉淀产生方向移动，本反应的产物不含气体，所以不影响实验中小鼠呼吸作用对气体的消耗和产生，可以用来定量计算呼吸速率。
　　BaCO3生成的摩尔数即为小鼠呼吸作用产生CO2的摩尔数，且呼吸作用吸收O2与放出CO2之比为1：1，即1mo102产生1toolBaCO3。
　　2.3　小液滴法测量气体变化量
　　用水平玻璃直管连接两个装有气体的装置(图1)，当一侧气压改变时，小液滴在无外界阻力条件下向气压小的一侧移动，直至使两边的气压达到平衡，平衡状态下小液滴静止不动。
　　在本次实验中，大鼠的呼吸作用使密闭容器内的O2不断被消耗，生成的CO2被Ba(OH)2溶液吸收，体系中气体体积减少，压强减小，小于小液滴另一端的外界大气压强，使玻璃水平直管中的小液滴向容器方向移动，且理论上小液滴移动的体积应为呼吸作用消耗的O2体积。
　　
　　3　实验步骤
　　
　　(1)配制过饱和Ba(OH)2溶液，过滤，取150mL倒入广口瓶。
　　(2)在玻璃直管内封入一段黑色墨水，搭建实验装置，并将玻璃直管放置水平。
　　(3)密封实验装置，在接口处涂以凡士林保证整个装置的气密性，开始计时，观察小液滴是否移动，验证气密性。若移动，则继续实验；若不发生移动，则停止计时，重新密封再次验证。
　　(4)15min后，记录液滴移动距离，并将广口瓶内溶液过滤，滤纸放于60℃烘箱内干燥。
　　(5)待滤纸完全干后，刮取滤纸上的白色沉淀，用分析天平称量，记录数据。
　　(6)洗净实验器材。
　　(7)取大鼠一只，并称量体重。
　　(8)将大鼠用乙醚麻醉，装入底部用铁网支撑的网兜内，放入广口瓶，固定网兜，使底部不接触溶液液面，重复上述试验步骤。
　　(9)将两次实验中Ba(OH)2滤液置于不同烧杯内，放置一段时间，有沉淀产生说明Ba(OH)2未反应完，干燥所得的沉淀未超过测量范围，可以进行定量计算。
　　
　　4　结果与分析
　　
　　4.1　大鼠呼吸速率的计算及分析(表1)
　　从表1可以看出，实验组BaCO3的生成量远大于空白对照组，且差值在一个数量级左右。分析空白对照组也有BaCO3生成的原因是空气本身含有约为0.9％的CO2。将实验组的BaCO3生成量减去空白对照组的，即为大鼠呼吸速率的耗氧量。
　　计算两次平行实验大鼠的呼吸速率可以发现，两次实验定量计算出的大鼠呼吸速率数据比较接近，分别为0.30mL／(g・h)及0.36mid(g・h)，说明了本次实验的实验方法所产生的实验结果差异较小，具有一定的稳定性及可重复性。
　　4.2　小液滴移动距离描述
　　在实验进行前期，玻璃水平直管内的小液滴向广口瓶方向移动，且随大鼠呼吸频率做节律性移动，每次移动距离基本相同。但在实验进行后期则基本保持静止。而两组空白组中小液滴几乎没有发生可见的移动现象。两次实验皆是。
　　用小液滴法测量气体变化量，并未做到定量计算，但是却可以明显的看到呼吸作用所导致的气体减少，让整个实验现象更加明显。
　　
　　5　讨论
　　
　　理论而言大鼠呼吸速率(以耗氧量计)为0.68～1.10mL／(g・h)。而本次实验中得出的大鼠呼吸速率(以耗氧量计)为0.30～0.36mL／g／h，分析实验组数据与理论上大鼠的呼吸速率相比偏小的原因可能为：其一，大鼠用乙醚麻醉处理之后使其呼吸作用减弱，呼吸速率降低；其二，可能是将容器中液体倒出过滤时由于沉淀并未完全洗干净而造成的误差；其三，干燥后将粘在滤纸上的沉淀刮下时造成的损耗也可能导致实验结果偏小。
　　在用小液滴法测量气体变化量时观察发现：水平玻璃直管内的小液滴向广口瓶方向呈节律性移动，且每次移动距离基本相同。通过观察可以发现这种节律性的移动与大鼠呼吸频率一致。而在实验后期小液滴基本保持静止的原因可能为气密性问题，或是容器中氧气大量减少而产生的。
　　本次实验的实验仪器多可动手制作，中学的学科交叉较多，可以从不同的实验室取材，有利于更好地完成实验。比如实验中用自制塑料盖加以凡士林密封，如果用橡皮塞代替气密性会更好；玻璃直管用中学物理实验用到的u型管代替，通过气压来计算气体体积变化，以更好地建立生物学与物理学之间的联系；小鼠所在的“笼中笼”，用烫了洞的塑料瓶代替，或是较密的铁丝笼代替都可以使实验过程更简便。提倡中学教师因地制宜，选择生活中的材料，也可以让学生动脑，也不失为对于学生观察生活，独立解决问题的一个锻炼。
　　此外，本次实验的取材可以多样化，比如种子、植物体或昆虫。作为课堂实验而言，要求所选材料的呼吸作用需较强，以避免实验耗费的时间过长或是产生的反应太过微弱难以定量测；如果作为课外探究实验则选材更为广泛。
　　本次实验是对上海二期课改后理科综合实验的初步探究，实验的目的基本得到实现，对于课本相关内容的学生实验中的空白部分进行填补，并引入更为准确的定量实验方法，为学生独立思考问题、解决问题提供了实验的平台，实现了在中学阶段培养学生的研究精神，提升其科学素养，为其今后发展打下良好的基础。

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