“模拟生物体维持pH的稳定”实验改进

张志祥 吕妍 倪嘉恒 岳昊岩

摘 要 “模拟生物体维持pH的稳定”实验的改进中，新增实验材料和能够精确测定pH值的生物传感器，并通过绘制实验记录表和曲线图更加直观地反应pH值的变化趋势，通过定量测定、定性分析，有效提升了学生的动手实践和数据处理与分析的能力。

关键词 pH变化 实验改进

中图分类号 Ｇ633. 91 文献标志码 B

1 引言

为探究人和动物代谢产生的酸性或碱性物质进入内环境后使机体的pH发生的变化，人教版2019年版高中生物学《选择性必修1·稳态与调节》中设置有“模拟生物体维持pH的稳定”实验。在教材设置的实验中，学生通过比较自来水、缓冲液和肝匀浆在加入酸或碱后pH的变化推测生物体如何维持pH稳定。教材实验选用25 mL的上述三种材料，以5滴为梯度分6次滴加0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液并测出其pH值。预实验中，学生发现若完全按照教材实验中的材料和剂量开展，材料的需求量极大，特别是需要消耗大量的肝脏。且肝匀浆会散发较重的气味，影响学生实验的效率和态度，导致本实验的开出率不高。

为了强化学生对内环境稳态的理解，改进实验用鸡蛋清、人血浆、狗血浆等多种材料替代肝匀浆，并调整样品的用量和试剂的滴加量，以降低实验材料的损耗，减少时间的耗时，提高实验的有效性和开出率。

2 实验的改进和优化

2.1 待测样品剂量的优化

教材中使用50 mL的烧杯，加25 mL的待测液。HCl和NaOH组分别设置三个重复的情况下，每种待测液需要150 mL。在预实验中，学生发现由于实验样品有限，分离得到的待测液无法满足此要求。正式实验中学生选择了10 mL的烧杯，加5 mL的待测液，在既确保分组实验中待测液有效供应的情况下，又能使pH传感器的探头充分浸润在待测液中，保证测定数据的准确性。

2.2 待测样品种类的优化

教材中选用的生物组织材料为肝匀浆，具有特殊气味，部分学生不能适应。且肝匀浆的制备需要经历清洗、剥离、剪碎、反复洗涤等步骤，操作难度大，实验耗时长。本实验对待测样品种类进行了优化，增加了狗血液和人血液组，获取血液样品后只需离心提取上清液血浆即可，操作简便，节约时间。样品的改进与学生的实际生活更为接近，学生兴趣高，主动探究意愿强。人教版教材本节“问题探讨”栏目给出的即为人血液的生化检测结果，并要求学生分析探讨，因此本实验血液样品的实验也能更好地对接课堂教学。

2.3 实验测定方法的优化

学生预实验发现：如果先测定 HCl 组再测定NaOH组，血浆会因长期暴露在空气中被氧化，导致待测液的起始pH值与实验开始时存在较大差异。此种方法下的测定的数值存在较大误差，实验的有效性和科学性会大打折扣。因此在正式实验中，应滴加HCl的同时滴加NaOH，始终保持待测液滴加试剂的同步性，尽量减少待测液组间滴加时间的差异和与空气接触的时间。

3 实验流程

3.1 实验材料和用具

实验用具：离心机、pH传感器、移液枪、250 mL、50 mL、10 mL烧杯、量筒、滴管、试剂瓶、护目镜、防护服等。

实验试剂和材料：纯水、pH为7.0的磷酸盐缓冲液、新鲜鸡蛋、新鲜人血液和狗血液（经三甲医院和宠物医院允许于化验部门取得，已加入抗凝剂）、分析純盐酸、NaOH固体等。

3.2 实验准备

（1）酸碱试剂的配制

分别配制物质的量浓度均为0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液，盛于试剂瓶中备用。

（2）待测样品的配制

对照组：纯水30 mL，磷酸盐缓冲液30 mL；鸡蛋清组：将鸡蛋清从鸡蛋中分离出来，置于烧杯中，用5倍纯水稀释并搅拌均匀；血浆组：分别将冷藏的狗血液和人血液倒至10 ml的离心管，对称放置于离心机中，以3800转的转速离心5 min，用移液枪提取得到血浆。

3.3 实验步骤

取6个10 mL烧杯，分别标记为1至6号，用量筒分别量取5 mL人血浆待测液依次加入不同的烧杯，用pH传感器测定初始pH值，记录数据。1、2和3烧杯中滴加一滴0.1 mol/L的HCl，轻轻摇动，测定pH值。重复此步骤，直至每个烧杯加入6滴为止，记录所有测定数据。同时，4、5和6烧杯中滴加0.1 mol/L的NaOH，其他操作同HCl组。狗血浆、鸡蛋清、纯水和磷酸盐缓冲液的pH值测定方法相同。

4 实验结果与分析

4.1 加入HCl后的pH值变化

加入不同数量HCl液滴后的pH变化见表1，绘制pH变化曲线图如图1所示。

由表1可知，向纯水中滴加HCl，pH值呈现大幅度的下降趋势，说明纯水对酸几乎没有缓冲能力。向磷酸盐缓冲液中滴加HCl，由于有较易接纳一定量H +的 HPO 4 2- ，所以pH值的变化较小，仅从初始状态的7.00变化为6.86，波动值为0.14，说明缓冲液对酸的缓冲能力较强。

向狗血浆与人血浆中滴加盐酸，pH值均呈现一定程度的下降趋势（图1），滴加6滴后变化值分别达到0.34和0.40，平均每滴分别下降0.8%和0.9%，可知狗血浆与人血浆对酸都具有一定的缓冲能力且缓冲作用相当。鸡蛋清缓冲能力一般，平均每滴下降了8.1%，介于血浆和纯水之间。

4.2 加入NaOH后的pH值变化

加入不同数量NaOH液滴后的pH变化见表2，并绘制pH变化曲线图如图2所示。

结果显示：向纯水中滴加NaOH，pH值呈现大幅度的上升趋势，说明纯水对碱同样没有缓冲能力。向磷酸盐缓冲液中滴加NaOH，由于有较易电离出H + 的H 2 PO 4 - ，所以pH值变化较小，仅从初始状态的7.00变化为7.28，波动值为0.28，说明缓冲液对碱的缓冲能力也较强。

向狗血浆与人血浆中滴加NaOH，pH值均呈现一定程度的上升趋势（图2），滴加6滴后变化值分别达到 1.13 和 0.99，平均每次滴加分别上升了 2.4%和2.1%。可知狗血浆与人血浆对碱也都具有一定的缓冲能力。鸡蛋清缓冲能力一般，平均每次滴加上升了2.7%，介于血浆和纯水之间，但相比对酸的缓冲能力较强，这与其本身pH值是碱性有关。

5 实验结论与讨论

待测样品剂量、种类和实验测定方法的创新优化使得实验效果更显著。其中，选择容量更小的烧杯和剂量更小的待测液，既确保待测样品有效供应，又能使pH传感器的探头充分浸润在待测液中，保证测定数据的准确性；增加了狗血浆和人血浆组，在获取血液样品后只需离心提取上清液血浆即可，与肝匀浆的预处理相比操作简便，耗时较短；将HCl与NaOH同时加入待测液进行实验，减少了待测液与空气接触时间，进而减小实验误差。缓冲液对酸碱的缓冲能力很强，其原因是缓冲液既有较易接纳一定量 H+ 的HPO 4 2- ，又有较易电离出 H + 的H 2 PO 4 - ，这两种离子称为缓冲离子对。

狗血浆与人血浆之所以具有一定程度的缓冲能力，是因为生物体内存在着类似的缓冲离子对（HCO 3 - /H 2 CO 3 、HPO 4 2- / H 2 PO 4 - 等），它们能够在一定范围内具有对酸或碱的缓冲能力，并维持机体pH的相对稳定。在实验的基础上，学生能快速解答人体内环境的酸碱度基本不受饮食酸碱度的影响；并联系已知思考得到：内环境中的酸碱物质可来自饮食和代谢，产生的代谢产物（CO2、碳酸盐或碳酸氢盐等）可分别通过呼吸系统与泌尿系统等排出体外。由此深刻理解内环境酸碱平衡的维持，不仅仅依靠酸碱缓冲对，还依赖于呼吸、消化、循环、泌尿等多个系统的协调配合。

鸡蛋清的缓冲能力在本实验的所有生物材料中最弱，学生讨论后得出合理解释：可能是由于鸡蛋清只是小鸡胚胎发育阶段直接接触的环境，而在小鸡胚胎发育阶段过程中物质的变化相对较小，因而缓冲能力较弱；而狗血浆、人血浆涉及的生物体的物质变化较大，对于缓冲能力要求较高。

6 结语

本实验增加的狗血浆和人血浆组，目的是更直观地反应出哺乳动物血浆的缓冲能力，最终引导学生得出重要生物学概念：为保证生物体各项生理活动的正常进行，机体的体液必须维持相对稳定的酸碱度。后续教学中，教师也可结合生活实际提出问题启发学生主动思考，并鼓励学生在本实验的基础上继续探究鱼类、爬行类、鸟类等动物的血液缓冲能力，锻炼学生的自主探究能力、动手实践能力和创新思维能力，切实提升生物学学科核心素养。

参考文献：

［1］ 潘明山. 用数字化设备探究生物体维持pH稳定的机制［J］. 实验设计与技术，2019，（10）：37-39.

［2］ 陈龙珠，沈初见. 探究生物体维持pH值稳定的机制［J］.生物学通報，2006，47 （7）：31-33.

［3］ 刘执平，胡亚辉.“生物体维持pH值稳定的机制”实验的改进［J］. 中学教学参考，2019，（10）：94-95.