内环境稳态的实验微生物维持ph稳定

内环境稳态的实验微生物维持ph稳定

根据人类教育版《生物学》的《三个稳定性与环境》第一章第2节中“内部环境的稳定性”，有一个实验：生物维持ph值的机制。本实验属于生化类实验,可使学生在理解稳态概念、合作学习及以曲线形式交流实验结果等多方面的能力得到锻炼和提高。考虑到高二第一学期学生在化学上还没有电离平衡的知识,不知道缓冲液的缓冲机理,实验设计中用生物组织和缓冲液的效果对比实验,让学生领悟生物组织中也存在缓冲对,理解pH维持稳态的机制。此实验是体现新课程理念、提高学生科学素养的经典实验,没有此实验的感性认识,学生对内环境稳定的理解不会充分。结合教学内容,笔者作了如下教学和实验设计。1教育设计1.1从“温度”到“ph”的转变,促使教学衔接自然本节内容的重点和难点都是内环境的动态变化,情感目标上为认同内环境稳态是机体进行正常生命活动的必要条件。由于内环境、稳态都是抽象的概念,学生的理解是有难度的,因此,将内环境稳态解读为温度维持相对稳定、pH维持相对稳定、渗透压维持相对稳定、内环境化学组成维持相对稳定等。课堂教学中当学生理解了内环境的动态变化后,改变课本教学顺序接着学习内环境稳态的重要意义,使得教学衔接自然。对于稳态调节机制的的认识,属于了解级别的内容,具体的“神经—体液—免疫”调节是第二章学习的内容。教材上的实验作为学生实验有一定的难度,此实验目的是理解pH维持稳态的机制,因此改编以后以演示实验的方式呈现。如果有条件,演示实验之后尽可能进行学生实验。1.2利用调查的方法使学生产实验教学是学生喜欢的教学方式,对教师的要求非常高,如果不做“生物体维持pH稳定的机制”实验,学生就不会深刻理解机体pH到底如何维持稳定的,对生物学的学习兴趣会下降。调查是一种有效学习的方法,利用教材提供的体温变化规律表,让学生分组,自己调查腋窝温度,并完成教材中的表格。通过调查,学生能自然得出体温变化规律,思考相关问题。1.3hcl-l-法教材中的实验既做生物组织液滴加HCl又做滴加NaOH后溶液pH的变化,精简为只做HCl对溶液pH的影响;教材中既取了动物的组织,又取了植物的组织为实验组,课堂演示中,以动物组织——鸡血清为代表,让学生通过此代表性的组织的实验,领悟生物体维持pH稳定的机制。2有条件的情况下,学生自然条件下的体温日变化,很难发现,提出稳态概念2.1通过交流调查结果、体验实验过程、解读血液化验单等活动领悟内环境的动态变化教学中首先请学生小组代表交流体温的日变化规律,教师及时将交流结果输入投影屏幕上,以让学生分析、比较。为了让学生测出较为正确的数值,教师应当提前指导腋窝体温测量要点,测好后,算出小组平均值填入课本上的表格中。至于课本上还列出了测量父母体温日变化规律,有条件的情况下,可选择部分学生父母测量,没必要全班所有父母的体温都测量。为帮助学生分析得出结论,教师可呈现如下两道题:①通过几组学生及父母的体温日变化,可以得出什么结论?②如果在寒冷的冬天,测得的体温日变化规律会和现在(秋天)一致吗?内环境酸碱度变化规律,通过演示实验“加入0.1mol/L的HCl后几种溶液的pH变化”,学生观察实验过程及规范,由学生及时将结果呈现在投影屏幕上,以让学生容易发现变化规律。记录实验表格如下:学生经过对温度、酸碱度变化规律的感知,对稳态有初步认识,这时教师再问:正常机体内环境的理化性质在一定范围内波动,它的化学组成是怎样的呢?通过呈现一张“血液化验单”,结合课本第7页问题探讨的三道题,讨论并总结出稳态概念。2.2联系生活实际,反思稳态失衡情况,确立稳态与健康生活的必要性学生稳态概念建立后,教师引导学生思维逆转“如果稳态失衡,会发生什么情况?你能从生活实际出发,举几个例子说明吗,并解释稳态失衡为什么会导致这些变化?”通过这些问题的讨论,让学生明白日常生活中一些疾病机理,建立内环境维持稳态的重要性,树立健康的生活理念。3实验相关策略3.1u3000酸、碱之间的匹配本节课成功与否关键是“生物体维持pH稳定的机制”实验是否成功及耗时多少。选用雷磁pHS-3C型精密pH计,选测具有代表性的上表所列3种溶液对加入酸后的pH变化,用时较少。精密pH计使用前要平衡pH斜率,平衡调整好后,不能切断电源,因此此实验宜在试验室做,减少使用前的平衡时间。在不同种溶液之间切换时,pH计在3分钟内稳定,在同种溶液不同滴数间测定时,10秒左右稳定。本实验就以加入HCl后的溶液pH变化为例,省略了加入NaOH后的pH变化的测量,因为学生完全有能力融会贯通,理解pH维持稳定的机制。3.2缓冲溶液的缓冲范围课本上用到的HCl和NaOH属于强酸和强碱,但0.1mol/L的HCl和NaOH属于低浓度,腐蚀性不强,如果实验中不慎滴在手上,用清水冲洗即可,不会造成伤害。关于H2PO4-和HPO42-、H2CO3和HCO3-这两对缓冲对的原理,应考虑它们在水溶液中电离与水解强度的比较。因为它们是弱酸或弱酸根离子,电离与水解的强度都比较小,大部分以未电离或水解的状态存在。H2PO4-和HPO42-在溶液中的平衡:2H++PO43−⇄H++HPO2Η++ΡΟ43-⇄Η++ΗΡΟ42−⇄H2PO4−⇄+H2OH3PO4+OH42-⇄Η2ΡΟ4-⇄+Η2ΟΗ3ΡΟ4+ΟΗ−H++PO43−⇄HPO42−⇄+H2OH2PO4−+OH-Η++ΡΟ43-⇄ΗΡΟ42-⇄+Η2ΟΗ2ΡΟ4-+ΟΗH3PO4分三级电离,各级电离常数是:K1=7.52×10-3;K2=6.23×10-8;K3=2.2×10-13。在磷酸二氢盐溶液中,H2PO4-在溶液中的电离程度大于水解程度,因此溶液呈弱酸性,设它的浓度为c,当c>>K1>>K2时,[H+]=K1⋅K2−−−−−−√=7.5×10−3×6.2×10−8−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√=2.2×10−5pH=4.66[Η+]=Κ1⋅Κ2=7.5×10-3×6.2×10-8=2.2×10-5pΗ=4.66同样,磷酸一氢盐溶液中,HPO42-的水解程度大于电离程度,溶液呈弱碱性;在磷酸一氢盐溶液中,设它的浓度为c,当c>>K2>K3时,[H+]=K2⋅K3−−−−−−√[Η+]=Κ2⋅Κ3=6.23×10−8×2.2×10−13−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√=1.17×10−5=6.23×10-8×2.2×10-13=1.17×10-5pH=9.96。利用适量的NaH2PO4和Na2HPO4就可配成pH接近于7的缓冲溶液。缓冲溶液是外加酸碱而溶液pH的变化率很小的溶液。缓冲机理可理解为:浓度相当大的共轭酸碱(H2PO4-和HPO42-)导致的同离子效应同时抑制了酸式电离和碱式电离,外加少量强酸或适度稀释不至引起共轭酸碱的浓度发生大的变化。当此溶液中加入HCl时,由于H+的增加,同离子效应,从而促进H2PO4-、HPO42-的水解、抑制它们的电离,使平衡向右移动。由于滴加的HCl少,H2PO4-和HPO42-浓度变化不大,故溶液pH变化不大。如果加入大量的HCl,使H2PO4-和HPO42-的浓度变化太大,缓冲液的缓冲作用消失。由H2PO4-和HPO42-组成的缓冲液理论上pKa为7.21,缓冲范围为6.21到8.21。当pH=pK时,溶液在滴入HCl或NaOH时pH变化相对较慢,曲线斜率较小。缓冲液的缓冲范围一般为pKa-1和pKa+1之间。同样,H2CO3和HCO3-存在如下平衡:2H++CO32−⇄H++HCO2Η++CΟ32-⇄Η++ΗCΟ3−⇄H2CO33-⇄Η2CΟ3H++CO3−⇄HCO3−⇄+H2OH2CO3+OHΗ++CΟ3-⇄ΗCΟ3-⇄+Η2ΟΗ2CΟ3+ΟΗ-缓冲原理同上。3.3不同实验材料的ph值hcl的变化，以及相关实验问题的分析温度不同,缓冲对解离度不同,使用哪些材料既方便又符合实验目标呢?设计了如下几组对比实验,并作了相应分析:(1)生物组织液和血浆的制备pH计是通过一个敏感球泡感知溶液pH值的,测定一个溶液的稳定时间小于2min。被测溶液中如含有污染敏感球泡或堵塞液接界的物质会使电极钝化,其现象是百分理论斜率降低,稳定所需时间变长,读数不稳定。为此,应根据污染物的性质,以适当的溶液清洗使之复新。表中4种生物组织液中,血清最快,血浆其次,猪肝液和马铃薯液最慢。因为猪肝液和马