化学知识在高中生物学教学中的应用

吕聪康 朱 峰

(湖北省武汉钢铁集团公司第三子弟中学 武汉 430080)

1 应用化学方程式来进行相关物质的计算

已知某一化学反应中某反应物的量或生成物的量求其他物质的量是高中化学常见的题型之一，其方法是写出并配平化学方程式，设未知数再列比例等式来进行计算。而在高中生物学中，可应用化学方程式来进行相关物质的计算。例如，求细胞呼吸消耗的葡萄糖的量或生成的CO2的量，求有氧呼吸消耗的葡萄糖量与无氧呼吸消耗葡萄糖量的比值，求一段时间内积累的葡萄糖的量等。

例1(2007年上海卷第37题第6问)： 在一定的CO2浓度和适宜温度下，把某植物叶片置于5千勒克司(光合作用速度44mgCO2/100cm2叶·h)光照下14h，其余时间置于黑暗中(呼吸作用速度6.6mg CO2/100cm2叶·h)，则一天内该植物每25cm2叶片葡萄糖积累量为。

解析： 设光照14h， 100cm2叶片光合作用制造的葡萄糖为Xmg。根据光合作用和有氧呼吸的化学方程式，6个CO2(分子量为44)对应1个C6H12O6(分子量为180)，则(6×44)/(14×44)=180/X，解得X=420；设一天24h 100cm2叶片呼吸作用消耗的葡萄糖为Ymg， 1个C6H12O6对应6个CO2，则180/Y=(6×44)/(6.6×24)，解得Y=108。所以，一天内该植物每25cm2叶片葡萄糖积累量为(X-Y)/4=(420-108)/4=78。参考答案： 78mg。

2 化学反应前后质量守恒

在化学反应中，参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和，这个规律叫做质量守恒定律。在高中生物学中，可应用化学反应前后质量守恒原理来求解氨基酸脱水缩合生成的蛋白质的相对分子质量。

例2： 由n个碱基组成的基因，控制合成由1条多肽链组成的蛋白质，氨基酸的平均相对分子量为a，则该蛋白质的相对分子量最大为( )。

A.na/6

B.na/3-18(n/3-1)

C.na-18(n-1)

D.na/6-18(n/6-1)

解析： 由n个碱基组成的基因控制合成由1条多肽链组成的蛋白质中，含氨基酸个数最多为n/6，脱去水的个数为n/6-1，故该蛋白质的相对分子质量最大为na/6-18(n/6-1)。参考答案： D。

3 化学反应前后原子数目守恒

化学反应的过程，就是参加反应的各物质的原子重新组合而生成其他物质的过程。在化学反应中，反应前后原子的种类没有改变，原子的数目没有增减，即化学反应前后原子数目守恒。在高中生物学中，应用该原理对氨基酸脱水缩合形成多肽或多肽水解过程中的氧原子数目守恒、氮原子数目守恒或氢原子数目守恒等进行相关计算。

例3： 现有一种“十二肽”，分子式为CxHyNzOwS(z>12，w>13)。已知将它彻底水解后只得到图1中几种氨基酸。回答下列问题。

(1) 一个该“十二肽”分子彻底水解时需要的水分子数是。

(2) 将一个该“十二肽”分子彻底水解后生成个赖氨酸和个天门冬氨酸。

图1 某多肽彻底水解后所得的氨基酸

解析： 该“十二肽”分子彻底水解时的反应物为该“十二肽”和11个水分子，生成物为12个上述5种氨基酸，其中天门冬氨酸的R基上含有2个氧原子，赖氨酸的R基上含有1个氮原子，设其中有a个赖氨酸，b个天门冬氨酸，根据反应前后氮原子数目守恒有：z=12+a，解得a=z-12；根据反应前后氧原子数目守恒有：w+11=12×2+2b，解得b=(w-13)/2。参考答案： (1)11；(2)z-12；(w-13)/2。

4 化学反应速率

化学反应速率是用来衡量化学反应进行的快慢程度的物理量，在容积不变的反应器中，通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量来表示化学反应速率。影响化学反应速率的因素主要有反应物的浓度、生成物的浓度、温度和催化剂等。其他条件相同时，增大反应物浓度，化学反应速率增大；减小反应物浓度，化学反应速率减小；生成物浓度增加，化学反应速率减小；生成物浓度减小，化学反应速率增大。

在高中生物学中，应用化学反应速率的知识，有助于更好地理解细胞呼吸的速率、总光合作用的速率和净光合作用速率的表示方法。例如，2013年北京卷第29题第3、第4问提到： 去除棉铃后，叶片光合产物利用量减少，输出量降低，进而在叶片中积累，叶片光合产物的积累会抑制光合作用，使光合作用速率降低；2013年山东卷第25题第4问： 大田种植大豆时，“正其行，通其风”的主要目的是通过增加CO2浓度提高光合作用强度以增加产量；密封储存蔬菜和水果可增加CO2浓度，从而降低细胞呼吸速率等。

例4(2015年新课标全国Ⅰ卷第29题)： 为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、 B、 C、 D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下： A组： 先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%。 B组： 先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。 C组： 先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms；光合作用产物的相对含量为94%。 D组(对照组)： 光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。回答下列问题：

(1) 单位光照时间内，C组植物合成有机物的量(填“高于”、“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量，依据是；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要，这些反应发生的部位是叶绿体的。

(2) A、 B、 C三组处理相比，随着的增加，使光下产生的能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。

解析： 光照和黑暗交替处理的过程中，黑暗时会及时消耗利用上一次光照时光反应产生的ATP和[H]，从而提高下一次光照时的光反应速率，并且随着光照和黑暗交替频率的增加，下一次光照时的光反应速率和整个光合作用速率越大，所以单位光照时间内，植物合成有机物的量越大。参考答案： (1)高于，C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却达到D组的94%，光照，基质；(2)光照和黑暗交替频率，ATP和[H](或者ATP和还原型辅酶Ⅱ)。

5 物质的量浓度

单位体积溶液里所含某溶质的物质的量称为该溶质的物质的量浓度。在高中生物学中，应用物质的量浓度知识可以更好地理解渗透作用时水分子的运动方向是由物质的量浓度低的溶液往高的溶液扩散。换言之，水总是由水分子多的溶液往水分子少的溶液扩散。分析时要把溶液的质量百分比浓度转化为溶液的物质的量浓度。

例5： 图2表示一中间隔以半透膜(只允许水分子通过)的水槽，两侧分别加入等质量浓度的葡萄糖溶液和麦芽糖溶液。然后在半透膜两侧加入等质量的麦芽糖酶，在加入麦芽糖酶前后A、 B两侧液面的变化是( )。

图2 中间隔以半透膜的水槽

A. 加酶前A侧液面上升，加酶后B侧液面上升并等于A侧的液面

B. 加酶前A侧液面上升，加酶后B侧液面上升并高于A侧的液面

C. 加酶前后A、 B两侧液面不变

D. 加酶前A、 B两侧液面不变，加酶后B侧液面上升并高于A侧的液面

解析： 溶液渗透压的大小取决于单位体积溶液中溶质微粒的数目，水分子由渗透压低的溶液往渗透压高的溶液扩散。物质的量等于质量除以摩尔质量，由于葡萄糖的摩尔质量为180，麦芽糖的摩尔质量为342，所以等质量浓度的葡萄糖溶液和麦芽糖溶液相比，葡萄糖溶液的物质的量浓度大于麦芽糖溶液的物质的量浓度，即A侧液面的渗透压大于B侧液面的渗透压，所以加酶前A侧液面上升。加麦芽糖酶后，一分子的麦芽糖水解生成二分子的葡萄糖，B侧的物质的量浓度大于A侧，即A侧液面的渗透压小于B侧液面的渗透压，所以加酶后B侧液面上升并高于A侧的液面。参考答案： B。

6 物质的溶解度

固体的溶解度是指在一定温度下，某固态物质在100g溶剂里达到饱和状态时所溶解的溶质的质量。影响溶解度的主要因素有温度、压强、溶剂种类和溶液中盐的含量等。气体的溶解度是指该气体的压强为101KPa和一定温度时，在1体积水里溶解达到饱和状态时的气体体积，气体物质的溶解度一般随温度的升高而降低。

在高中生物学中，关于物质的溶解度知识的应用主要表现在： ①有利于对蛋白质的盐溶和盐析的理解，中性盐对球状蛋白质的溶解度有显著的影响。低浓度时，中性盐可以增加蛋白质的溶解度，这种现象称为盐溶。盐溶作用主要是由于蛋白质分子吸附某种盐类离子后，带电层使蛋白质分子彼此排斥，而蛋白质分子与水分子间的相互作用却加强，因而溶解度增加。当溶液的离子强度增加到一定数值时，蛋白质溶解度开始下降。当离子强度增加到足够高时(如饱和或半饱和的程度)，很多蛋白质可以从水溶液中沉淀出来，这种现象称为盐析[1]。盐析作用主要是大量中性盐的加入使水的活度降低，蛋白质表面的水化层被脱去而变成了盐离子的水化水，使蛋白质的疏水基团暴露出来，由于疏水作用使蛋白质聚集而沉淀。②煮沸可以降低溶液中的溶氧量，为相关的微生物提供无氧的环境，让其进行无氧呼吸；而振荡可以提高培养液中营养物质的利用率，同时增加溶液中的溶氧量，使相关微生物进行有氧呼吸释放大量能量，有利于其繁殖。

7 萃取

利用物质在互不相溶的溶剂里溶解度的不同，用一种溶剂把物质从它与另一种溶剂所组成的溶液里提取出来，这种方法叫做萃取。再利用分液漏斗进行分液，将萃取后两种互不相溶的液体分开。通过萃取，能从固体或液体混合物中提取出所需要的物质。在高中生物学中，利用萃取法主要用于提取出绿叶中的色素和从胡萝卜中提取出非挥发性的β-胡萝卜素。