化學(xué)定量分析法測(cè)定大鼠呼吸速率的探究實(shí)驗(yàn)

摘要 介紹了一種結(jié)合中學(xué)化學(xué)與物理知識(shí)定量測(cè)定大鼠呼吸速率的實(shí)驗(yàn)方法。利用Ba(OH)：吸收密封容器內(nèi)大鼠呼吸所產(chǎn)生的CO₂，生成白色的BaCO₃沉淀，通過(guò)沉淀量計(jì)算大鼠的呼吸速率：并通過(guò)氣體體積的改變顯示大鼠呼吸消耗氧氣，體積減少量等于玻璃管內(nèi)液滴的移動(dòng)的距離乘以橫截面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)實(shí)驗(yàn)組的BaCO₃生成量遠(yuǎn)大于對(duì)照組．計(jì)算其差值可以定量測(cè)定大鼠的呼吸速率；(2)玻璃管內(nèi)液滴移動(dòng)明顯。因此本次探究證明在中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以利用此化學(xué)定量分析法測(cè)定小型哺乳動(dòng)物的呼吸速率。

關(guān)鍵詞 中學(xué)生物實(shí)驗(yàn) 定量分析 呼吸速率

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

在上海二期課改中，高中生命科學(xué)教材中關(guān)于呼吸作用的知識(shí)點(diǎn)，僅在課程起始要求以酵母呼吸作用的演示實(shí)驗(yàn)對(duì)呼吸作用的概念進(jìn)行引入，而在整章節(jié)中沒(méi)有設(shè)置有關(guān)測(cè)定生物呼吸作用的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。因此，本次實(shí)驗(yàn)考慮在呼吸作用的章節(jié)中加入用定量分析法測(cè)定動(dòng)物呼吸速率的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，選取貼近學(xué)生生活的小型哺乳動(dòng)物大鼠作為實(shí)驗(yàn)材料，兼顧化學(xué)課程中的化學(xué)定量分析法以及物理課程的氣壓與氣體體積的知識(shí)點(diǎn)。

目的是希望可以用定量分析實(shí)驗(yàn)替代中學(xué)實(shí)驗(yàn)中極為常見(jiàn)的定性實(shí)驗(yàn)，貫徹綜合理科的教學(xué)發(fā)展目標(biāo)，并通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和研究精神，樹(shù)立中學(xué)生獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的科學(xué)精神。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

Ba(OH)₂，墨滴，大鼠，乙醚，凡士林。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

廣口瓶，烘箱，分析天平稱(chēng)量，網(wǎng)兜，玻璃直管，燒杯，玻璃彎管，漏斗，濾紙，鐵架臺(tái)。

2 研究方法及原理

2.1 呼吸作用

動(dòng)物在O₂充足的情況下進(jìn)行有氧呼吸作用，通常簡(jiǎn)稱(chēng)呼吸作用，吸收O₂釋放CO₂，分解有機(jī)物產(chǎn)生供生命體生長(zhǎng)所需的能量。

有氧呼吸作用反應(yīng)式為C₆H₁₂O₆+6O₂＝＝＝6CO₂+6H₂O，吸收O₂與放出CO₂之比為1：1。

2.2 化學(xué)定量分析法

本次實(shí)驗(yàn)利用Ba(OH)₂吸收密封容器內(nèi)大鼠呼吸作用所產(chǎn)生的CO₂，生成白色的BaCO₃沉淀。反應(yīng)式為：Ba(OH)₂+CO₂====BaCO₃↓+H2O。反應(yīng)特點(diǎn)為反應(yīng)迅速，且因?yàn)锽aCO₃不溶于水，表現(xiàn)為白色沉淀，反應(yīng)平衡始終向沉淀產(chǎn)生方向移動(dòng)，本反應(yīng)的產(chǎn)物不含氣體，所以不影響實(shí)驗(yàn)中小鼠呼吸作用對(duì)氣體的消耗和產(chǎn)生，可以用來(lái)定量計(jì)算呼吸速率。

BaCO₃生成的摩爾數(shù)即為小鼠呼吸作用產(chǎn)生CO₂的摩爾數(shù)，且呼吸作用吸收O₂與放出CO₂之比為1：1，即1mo10₂產(chǎn)生1toolBaCO₃。

2.3 小液滴法測(cè)量氣體變化量

用水平玻璃直管連接兩個(gè)裝有氣體的裝置(圖1)，當(dāng)一側(cè)氣壓改變時(shí)，小液滴在無(wú)外界阻力條件下向氣壓小的一側(cè)移動(dòng)，直至使兩邊的氣壓達(dá)到平衡，平衡狀態(tài)下小液滴靜止不動(dòng)。

在本次實(shí)驗(yàn)中，大鼠的呼吸作用使密閉容器內(nèi)的O₂不斷被消耗，生成的CO₂被Ba(OH)₂溶液吸收，體系中氣體體積減少，壓強(qiáng)減小，小于小液滴另一端的外界大氣壓強(qiáng)，使玻璃水平直管中的小液滴向容器方向移動(dòng)，且理論上小液滴移動(dòng)的體積應(yīng)為呼吸作用消耗的O₂體積。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)配制過(guò)飽和Ba(OH)₂溶液，過(guò)濾，取150mL倒入廣口瓶。

(2)在玻璃直管內(nèi)封入一段黑色墨水，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，并將玻璃直管放置水平。

(3)密封實(shí)驗(yàn)裝置，在接口處涂以凡士林保證整個(gè)裝置的氣密性，開(kāi)始計(jì)時(shí)，觀(guān)察小液滴是否移動(dòng)，驗(yàn)證氣密性。若移動(dòng)，則繼續(xù)實(shí)驗(yàn)；若不發(fā)生移動(dòng)，則停止計(jì)時(shí)，重新密封再次驗(yàn)證。

(4)15min后，記錄液滴移動(dòng)距離，并將廣口瓶?jī)?nèi)溶液過(guò)濾，濾紙放于60℃烘箱內(nèi)干燥。

(5)待濾紙完全干后，刮取濾紙上的白色沉淀，用分析天平稱(chēng)量，記錄數(shù)據(jù)。

(6)洗凈實(shí)驗(yàn)器材。

(7)取大鼠一只，并稱(chēng)量體重。

(8)將大鼠用乙醚麻醉，裝入底部用鐵網(wǎng)支撐的網(wǎng)兜內(nèi)，放入廣口瓶，固定網(wǎng)兜，使底部不接觸溶液液面，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。

(9)將兩次實(shí)驗(yàn)中Ba(OH)₂濾液置于不同燒杯內(nèi)，放置一段時(shí)間，有沉淀產(chǎn)生說(shuō)明Ba(OH)₂未反應(yīng)完，干燥所得的沉淀未超過(guò)測(cè)量范圍，可以進(jìn)行定量計(jì)算。

4 結(jié)果與分析

4.1 大鼠呼吸速率的計(jì)算及分析(表1)

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)組BaCO₃的生成量遠(yuǎn)大于空白對(duì)照組，且差值在一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。分析空白對(duì)照組也有BaCO₃生成的原因是空氣本身含有約為0.9％的CO₂。將實(shí)驗(yàn)組的BaCO₃生成量減去空白對(duì)照組的，即為大鼠呼吸速率的耗氧量。

計(jì)算兩次平行實(shí)驗(yàn)大鼠的呼吸速率可以發(fā)現(xiàn)，兩次實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算出的大鼠呼吸速率數(shù)據(jù)比較接近，分別為0.30mL／(g·h)及0.36mid(g·h)，說(shuō)明了本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較小，具有一定的穩(wěn)定性及可重復(fù)性。

4.2 小液滴移動(dòng)距離描述

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前期，玻璃水平直管內(nèi)的小液滴向廣口瓶方向移動(dòng)，且隨大鼠呼吸頻率做節(jié)律性移動(dòng)，每次移動(dòng)距離基本相同。但在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行后期則基本保持靜止。而兩組空白組中小液滴幾乎沒(méi)有發(fā)生可見(jiàn)的移動(dòng)現(xiàn)象。兩次實(shí)驗(yàn)皆是。

用小液滴法測(cè)量氣體變化量，并未做到定量計(jì)算，但是卻可以明顯的看到呼吸作用所導(dǎo)致的氣體減少，讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。

5 討論

理論而言大鼠呼吸速率(以耗氧量計(jì))為0.68～1.10mL／(g·h)。而本次實(shí)驗(yàn)中得出的大鼠呼吸速率(以耗氧量計(jì))為0.30～0.36mL／g／h，分析實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)與理論上大鼠的呼吸速率相比偏小的原因可能為：其一，大鼠用乙醚麻醉處理之后使其呼吸作用減弱，呼吸速率降低；其二，可能是將容器中液體倒出過(guò)濾時(shí)由于沉淀并未完全洗干凈而造成的誤差；其三，干燥后將粘在濾紙上的沉淀刮下時(shí)造成的損耗也可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小。

在用小液滴法測(cè)量氣體變化量時(shí)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)：水平玻璃直管內(nèi)的小液滴向廣口瓶方向呈節(jié)律性移動(dòng)，且每次移動(dòng)距離基本相同。通過(guò)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)這種節(jié)律性的移動(dòng)與大鼠呼吸頻率一致。而在實(shí)驗(yàn)后期小液滴基本保持靜止的原因可能為氣密性問(wèn)題，或是容器中氧氣大量減少而產(chǎn)生的。

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器多可動(dòng)手制作，中學(xué)的學(xué)科交叉較多，可以從不同的實(shí)驗(yàn)室取材，有利于更好地完成實(shí)驗(yàn)。比如實(shí)驗(yàn)中用自制塑料蓋加以凡士林密封，如果用橡皮塞代替氣密性會(huì)更好；玻璃直管用中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)用到的u型管代替，通過(guò)氣壓來(lái)計(jì)算氣體體積變化，以更好地建立生物學(xué)與物理學(xué)之間的聯(lián)系；小鼠所在的“籠中籠”，用燙了洞的塑料瓶代替，或是較密的鐵絲籠代替都可以使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更簡(jiǎn)便。提倡中學(xué)教師因地制宜，選擇生活中的材料，也可以讓學(xué)生動(dòng)腦，也不失為對(duì)于學(xué)生觀(guān)察生活，獨(dú)立解決問(wèn)題的一個(gè)鍛煉。

此外，本次實(shí)驗(yàn)的取材可以多樣化，比如種子、植物體或昆蟲(chóng)。作為課堂實(shí)驗(yàn)而言，要求所選材料的呼吸作用需較強(qiáng)，以避免實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或是產(chǎn)生的反應(yīng)太過(guò)微弱難以定量測(cè)；如果作為課外探究實(shí)驗(yàn)則選材更為廣泛。

本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)上海二期課改后理科綜合實(shí)驗(yàn)的初步探究，實(shí)驗(yàn)的目的基本得到實(shí)現(xiàn)，對(duì)于課本相關(guān)內(nèi)容的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的空白部分進(jìn)行填補(bǔ)，并引入更為準(zhǔn)確的定量實(shí)驗(yàn)方法，為學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題、解決問(wèn)題提供了實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在中學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的研究精神，提升其科學(xué)素養(yǎng)，為其今后發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。