自制简易教具探究酶的高效性*

孔凡茹 孙 涛 刘姝昱

（1邯郸市第一中学 河北邯郸 056006 2广州中学 广东广州 510520）

比较H2O2在不同条件下的分解，属于酶的高效性实验，选自人教版必修1第5章第1节的实验。存在下列不足：H2O2分解后不仅产生O2，还会生成水，反应产生大量含水分的气泡，会影响卫生香的复燃，从而导致实验误差较大；装置不严密，H2O2分解产生的O2会逸出试管，不能用于定量分析；新鲜的猪肝研磨液中H2O2酶的含量无法测量，很难控制变量；氯化铁、碘化钾和二氧化锰都为无机催化剂，都能催化H2O2分解。要证明酶的催化效率比无机催化剂高，应选一个催化效率最高的无机催化剂和相应的酶相比；催化剂只改变化学反应速度，不改变化学反应平衡点，在教材的原实验中无法得到证实。

师生的需要和现有仪器的配备之间往往存在矛盾，而解决此矛盾的有效途径之一就是自制教具。为了克服现有技术的缺点，笔者自制酶的高效性实验演示仪。

1 教具实物图

图1 酶的高效性演示仪实物图

2 教具优点

1）收集到的O2几乎不含水，卫生香的复燃现象更加明显。

2）装置气密性好，可收集 O2，测出 O2的生成量，将定性观察上升为定量分析。通过设置分组情况，进行对照实验，得到结论，酶有高效性。

3）用无机催化剂二氧化锰替代氯化铁，用化学试剂H2O2酶替代新鲜猪肝研磨液。因为化学试剂H2O2酶的分子数可测量、可计算，可使实验遵循等量对照原则。比较H2O2酶和催化效率最高的无机催化剂二氧化锰探究酶的高效性，更具说服力。

4）可定量收集 O2，用秒表记录时间，根据化学方程式可以测算具体的化学反应速率。

5）本装置几乎可用于所有的常温下固体和液体、液体和液体发生化学反应生成气体时，气体的收集和气体体积的测定。

6）对于H2O2酶而言，活性测定方法主要有碘量滴定法、紫外分光光度碘量法、直接紫外分光光度法［1］。与此相关的仪器设备成本较高，实验技能水平要求高，极大限制了高中生物学实验教学的开展。而本装置所需材料易得、价格便宜、操作简单、现象明显，易于理解酶的高效性结论，更适合应用于高中的生物学实验教学。

3 材料器具与试剂

新配制的体积分数为3%的H2O2溶液、H2O2酶制剂（购买自河南金诚生物科技公司，酶的质量分数为40%。据JacekS等［2］研究，其相对分子量（Mr）约为 2.7×105，酶活性 20 万 U／g）、二氧化锰（分子量86.94）。锥形瓶、50 mL注射器、100 mL注射器、三通旋塞、卫生香、火柴、底座、单向阀等。

4 使用方法

图2 酶的高效性演示仪结构图

4.1 连接仪器

1）连接顺序。先将锥形瓶2安装在底座1上，再将三通旋塞4、玻璃管6、细管8、粗管9与橡皮塞构成的整体结构（图3）安装在锥形瓶上方；将50 mL注射器3安装到三通旋塞上；将100 mL注射器5安装到三通旋塞上。每次安装都以旋入的方式进行。

图3 三通旋塞4等构成的整体结构

2）保证连接稳定及气密性的细节。

图4 注射器5的一端（连接三通旋塞4的一侧）

在4与5的连接处，100 mL注射器5的一端有外侧和内侧2层圆柱形管道，气体从内侧管道通过，外侧管道内侧有自制螺纹，4与5的孔径大小刚好吻合，可保证装置的气密性。三通旋塞4的一端为玻璃管，可支撑上方100 mL注射器5，确保装置处于稳定状态。

图5 3与4的连接处

图6 细管8与粗管9

图7 凹槽

在3与4的连接处，内部含有单向阀和软管8，确保物质的单向流动。细管8直径较小，贯穿3与9，进一步防止倒吸现象发生。在细管8外侧的粗管9有一定的伸展性，使其与橡皮塞的结合更加紧密，保证装置的气密性。

底座1材质为密度较大的松木块，外部用锡箔纸包裹，挖有凹槽7，使上方的装置稳定，不宜倾斜。在凹槽内侧有塑料圈，直径大小刚好能容纳下锥形瓶底部，因其有一定的伸缩性，可方便旋入和旋出锥形瓶。

4.2 检查装置气密性 转动三通旋塞使玻璃管一侧处于关闭状态，100 mL注射器与锥形瓶处于连通状态。50 mL注射器与三通旋塞的连接部分内含单向阀，不会使气体倒吸进入小注射器内部。轻轻向外拉动或向里推动大注射器的活塞，一段时间后活塞能回到原来的位置，表明装置的气密性良好。

4.3 加入试剂 实验分为甲、乙2组。甲组：向注射器3中加入1.5 mL H2O2溶液，锥形瓶2中加入2 g H2O2酶制剂（由于制剂中酶的质量分数为40%，2 g酶制剂中实际含 H2O2酶 0.8 g，即为2.96×10-6mol）；乙组：向注射器 3 中加入 1.5 mL H2O2溶液，锥形瓶 2中加入 2 g二氧化锰（2.3×10-2mol）；此时二氧化锰的摩尔数大约是过H2O2酶的7 770.27倍。理论上对照实验应该保持H2O2酶和二氧化锰摩尔数相同，但2.57×10-4g的二氧化锰太少，称量误差较大，实验结果中O2生成速率也太慢，所以都选用了2 g的用量。

4.4 操作仪器，记录数据 在50 mL注射器与三通旋塞的连接处安装1个单向阀，防止O2倒吸进入50 mL注射器中。将锥形瓶2固定在底座1上，转动三通旋塞4，使锥形瓶2与小注射器3连通，推动小注射器3的活塞使H2O2溶液进入锥形瓶2，同时用秒表记录反应开始的时间，及转动三通旋塞4使锥形瓶2与大注射器5连通，锥形瓶2中产生的O2进入到大注射器5中，大注射器5的活塞被向上顶起，当大注射器5的活塞不再向上移动时，记录下所产生的O2体积和反应结束的时间。测算具体的化学反应速率，记录数据。

4.5 观察卫生香复燃现象 转动三通旋塞4，使大注射器5与玻璃管6连通，向下按压大注射器5的活塞，同时在玻璃管口6处放置带火星的卫生香，观察复燃现象。

5 实验结果

1）卫生香复燃现象明显。

图8 卫生香复燃现象

2）进行定量分析，收集O2，测定氧气含量和化学反应速率，在坐标纸上绘制曲线，如图4所示。

图9 2种不同催化剂催化作用下O2的生成量随时间变化的曲线

6 实验中出现的问题和解决方法

1）若加入的 H2O2或产生的O2过多，可更换更大容量的注射器。

2）若反应速度过快，有大量气体迅速产生，避免三通旋塞被气体冲出，可转动三通旋塞，使玻璃管一侧处于开放状态，让气体从玻璃管一侧释放即可。可先做一个预实验，以确定好实验中过氧化氢酶和过氧化氢溶液的用量。

3）若学生操作不熟练，为节约时间和能够观察到明显的卫生香复燃现象，可在加入试剂前点燃卫生香，放置一侧。

真实的课堂不会仅是预设的再现，更多的是非预设生成性资源［3］。当出现一些和预期不相符的实验现象时，要抓住契机，引导学生以生物学事实和证据为基础分析其中的原因，获得相关生物学概念，有利于培养学生的批判性思维等生物学核心素养，并使整个教学过程充满科学性和趣味性。学生实验探究能力需要在构建情境活动中培养［4］，需要教师精心设计教学活动和长期耐心的引导。