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：将5g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虾 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