對“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗的釋疑及優化

張 云林 凡

（1福建教育學院理科研修部 福建福州 350001 2福建中醫藥大學中西醫結合學院 福建福州 350122）

1 問題提出

“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教版《生物·必修1》“分子與細胞”中的探究實驗。該版教材沿用了傳統的設計思路，以各反應體系中氣泡產生數量、點燃衛生香燃燒程度，比較H2O2分別在室溫、90℃、滴加2滴3.5%FeCl3溶液，以及滴加20%肝臟研磨液條件下的分解速度［1］。在教學實踐中，有教師提出以下2點質疑。

①用帶火星的衛生香檢測90℃反應體系中生成的氣體，衛生香不復燃，也不發亮，且蒸餾水在加熱過程中，容器底部及壁上也能觀察到大小不一的氣泡。因此有教師認為：90℃反應體系中觀察到的氣泡不是O2氣泡，而是水氣泡［2］。

②在滴加FeCl3溶液的反應體系中，觀察到的是細小的單氣泡，氣泡數量多，且以線形排列的方式出現在溶液中，而滴加肝臟研磨液的反應體系中，則在液面上方形成體積較大的群聚泡沫。不同反應體系生成的氣泡大小、狀態并不相同，以相同時間內氣泡產生數量，作為判斷O2生成速率快慢的依據是否合適？

目前，我國多省市已將數字化探究實驗系統列為普通高中教育裝備標準之一。該設備操作簡便，能迅速檢測O2濃度并轉化為數字信號，使得中學階段對氧濃度的準確測定成為可能。本文擬借助此系統對上述質疑進行釋疑，并以此為基礎，對原實驗方案提出優化建議。

2 材料、用具及試劑

2.1 材料 新鮮的質量分數為20%豬肝研磨液、新鮮的質量分數為20%土豆研磨液。

2.2 用具 計算機、數據采集器、氧氣傳感器、數字化信息系統實驗室軟件（山東遠大朗威教育科技股份有限公司）、傳感器連接線、USB連接線、250 mL錐形瓶、硅膠O型圈、恒溫水浴鍋、電子天平、移液器及移液器吸頭。

2.3 試劑 3%H2O2、0.1 mol／L FeCl3、0.1 mol／L過氧化氫酶（3 500 U／mg）。

3 實驗方法

3.1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成 取4支潔凈的試管編號（表1），分別加入蒸餾水及3%H2O2溶液，再分別置于90℃水浴與室溫25℃環境中，5 min后觀察試管中氣泡的生成情況。

表1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成

3.2 H2O2在不同條件下的分解 取錐形瓶若干，編好序號（表2），依次設置反應體系（反應溫度設定為25℃），用傳感器連接線、USB連接線連接好氧氣傳感器、數據采集器及計算機，設置每間隔1 min自動采集數據。加入催化劑、研磨液（或蒸餾水），迅速將氧氣傳感器接于錐形瓶瓶口，并用硅膠O型圈將瓶口密封，采集數據。實驗重復3次。

表2 H2O2在不同條件下的分解

3.3 氧濃度變化曲線的制作 以表2序號1的反應體系為對照，取3次實驗平均值，用Excel軟件作不同條件下氧濃度的變化曲線。

4 結果分析

4.1 蒸餾水與3%H2O2溶液中氣泡的生成 表1中的1號、2號試管沒有觀測到明顯氣泡，表明在25℃條件下，1號、2號反應體系中的物質沒有發生明顯的物化變化；3號試管為90℃水浴中的蒸餾水，管壁上有氣泡附著（圖1a），與蒸餾水中溶解有部分空氣、且水浴過程中部分水分子形成水蒸氣有關。由此推斷，4號試管（圖1b）中附著于管壁上的氣泡也一定含有空氣或水蒸氣成分。但仔細觀察發現，4號試管底部另有一串體積更為細小的氣泡生成，顯然這才是H2O2在90℃水浴條件下分解生成的O2。為了便于觀察，通常觀察者會將4號試管脫離水浴環境，導致反應體系溫度降低，而H2O2只有在較高的溫度下才會有比較明顯的分解［3］，因此串珠狀的O2氣泡的生成會在較短的時間內變緩甚至消失，而容易造成沒有O2生成的錯覺。可見，認為90℃反應體系中觀察到的氣泡不是O2氣泡，是由于僅觀察到了附著于管壁的氣泡而做出的錯誤判斷。

圖1 90℃水浴中的H2O2與蒸餾水生成的氣泡

4.2 H2O2在不同條件下的分解 如圖 2，3%H2O2溶液加入含有過氧化氫酶的生物組織研磨液（2、5號）或純酶液（3號）后，各錐形瓶中液面上均有明顯的群聚泡沫生成，而加入FeCl3的4號錐形瓶液面上僅出現少量聚集氣泡，同時4只錐形瓶溶液中均可見不斷生成的細小氣泡，這些現象顯然與上述反應體系中的H2O2分解生成了O2有關。從泡沫生成多寡來看，反應10 min時，5號（豬肝研磨液）生成的最多，3號（0.1 mol／L 過氧化氫酶）、2號（土豆研磨液）次之，最少的則是 4號（0.1 mol／L FeCl3）。 但以氧氣傳感器收集的數據分析，此時錐形瓶中氧氣濃度最高的并非5號（豬肝研磨液，平均 O2濃度為 27.8%），而是 4號（FeCl3，平均O2濃度為 29.6%），且泡沫量次之的3號（0.1 mol／L 過氧化氫酶）平均 O2溶度（28.6%），也高于泡沫量最多的5號（豬肝研磨液）。有報道表明，蛋白質是一種助泡物，其吸水后能形成水凝膠性質的表面膜，有助于溶液中泡沫的生成與穩定［4］。上述各實驗組反應體系中的蛋白質組分不同，對泡沫現象的影響不可忽視，即反應體系中O2生成量并非決定泡沫量的唯一因素。因此，相同時間內反應體系中可見泡沫的多寡不足以說明體系中O2生成速率的快慢。

圖2 H2O2在不同條件下的分解（反應10 min）

此外，在教學實踐中，由于溶液內部生成的氣泡處于上升狀態，導致觀察者無法從數量上對其作出準確判斷，因此會僅以液面上方已經形成的泡沫量為觀察指標，而略去了對上升氣泡的數量統計。但從圖3可見，在反應開始的60 min內，生成的泡沫量并不同的3、4、5號錐形瓶，O2濃度變化曲線卻基本吻合，可見上升氣泡所攜帶的O2量也是不容忽視的關鍵因素。因此，在H2O2分解過程中，試圖通過視覺觀察而對O2生成量的多寡做出大致判斷是無法實現的，以“氣泡產生數量”為本實驗觀測比較的指標，科學性不夠充分。

圖3 不同條件下氧濃度變化曲線

5 實驗優化的必要性及可行性

此外，原實驗設計中另一個觀測指標“點燃衛生香的燃燒程度”，易受衛生香干燥程度、反應溫度、肝臟研磨液新鮮程度等因素的影響［5］，加之反應體系中有H2O生成，引起反應體系上層空間濕度增加，點燃的衛生香通常并不容易燃燒［6］。可見，此指標受無關變量影響的可控性較差，實驗現象不穩定。因此，以傳統實驗思路進行的“比較過氧化氫在不同條件下的分解”，實驗設計存在缺陷，無法很好地幫助學生達成對相關概念的生成與理解。

2018年教育部頒布了 《普通高中生物學課程標準（2017年版）》，新課程標準在“加強和完善生物學實驗教學”的實施建議中明確指出：教師應注意實驗設計多樣化；在重視定性實驗的同時，也要重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質［7］。已有研究表明，在中學生物學教學中設計一些定量實驗，不僅可幫助學生樹立“量化”意識，學會用數據表達實驗結果的科學方法和嚴謹的科學態度，還可探尋各因素之間的量化關系，進行邏輯思維的訓練［8］。同時，伴隨著數字化探究實驗系統在基礎教育領域的推廣與運用，使得在高中階段以定量實驗的思路優化該實驗成為可能。

6 優化的建議及方案

綜上分析，建議在教學實踐中，結合數字化探究實驗系統實施“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗。表3是筆者提出的實驗方案，以供參考。

表3 “比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗方案