生物体维持pH稳定实验的过程与分析

普通高中课程标准实验教科书《生物·必修3》（人民教育出版社·课程教材研究所编著）中设置了《生物体维持pH稳定》的实验。实验中要求学生通过实验过程探究生物体维持pH稳定的机理，下面是该实验的过程及数据分析。

实验原理分析

生物体细胞代谢产生许多酸性物质，如碳酸等，人和动物吃的食物消化吸收后经代谢会产生一些酸性或碱性物质，这些酸性或碱性物质进入内环境，常使pH发生偏移。但一般情况下，生物体能使pH稳定在一定范围内。本实验采用对比的方法，说明人体内液体环境与缓冲液相似而不相同于非缓冲液，如自来水等，从而说明生物体维持pH相对稳定的机制。

目的要求

通过比较自来水、缓冲液（如Na₂HPO4、NaH₂PO4等的溶液，在加入酸或碱后，能使pH的变化减弱）和生物材料在加入酸或碱后pH的变化，推测生物体是如何维持pH相对稳定的。

实验过程

一、材料用具

生物材料：需要马铃薯、黄瓜、猪肝各10g的的用量，稀释至100mL；用水5：1稀释的鸡蛋清、黄瓜匀浆）；pH=7的磷酸缓冲液。0.1mol/LHCl溶液。0.1mol/LNaOH溶液；4副防护手套、50 mL烧杯1只、50 mL量筒1只，彩色铅笔、pH计或{wn}pH试纸、镊子、自来水。

二、方法步骤和记录

1．四人一组，将2.5mL自来水倒入50mL烧杯中。

2．用pH计或pH试纸测试初始的pH，并作记录。

3．一次加一滴0.1mol/LHCl，然后轻轻摇动，加入5滴后再测pH，重复这一步骤直到加入了30滴为止。将pH测定结果记入表中。

4．充分冲洗烧杯并向其中倒入25mL自来水。测定并记录初始的pH，重复步骤3，一滴一滴地加入0.1mol/L的NaOH，测定并记录pH。

5．充分冲洗烧杯，用植物(马铃薯)材料代替自来水，重复步骤1至步骤4，记录结果。

6．充分冲洗烧杯，用动物（鸡蛋）材料 分别代替自来水，重复步骤1至4记录结果。

三、实验记录与现象观察               

不同实验材料pH变化记录表

四、实验分析

1．实验对比

根据实验所得数据，以酸或碱的滴数为横轴，以pH为纵轴。

以（图一）表示加入酸（0.1mol/LHCl溶液）后，马铃薯、鸡蛋、缓冲液、自来水pH变化的曲线。

                                         图一

（图二）表示加入碱（0.1mol/LNaOH溶液）后，马铃薯、鸡蛋、缓冲液、自来水PH变化的曲线。用四种颜色的线条分别表示马铃薯、鸡蛋、缓冲液、自来水。

图二

2．实验现象

对酸缓冲能力依此增加的是：自来水<马铃薯匀浆<鸡蛋清<缓冲液；对碱缓冲能力依此增加的是：自来水<鸡蛋清<马铃薯匀浆<缓冲液。

3．实验结论

仅在某一阶段内，生物材料pH稳定；而且不同的实验材料对酸或碱的缓冲效果不同。在自来水中加入酸或碱物质后，pH变化比较明明显，而缓冲液和生物材料中加入酸碱后pH几乎不变或变化不大，说明生物材料内含有酸碱缓冲物质，从而能维持pH相对稳定。

4．实验评价

实验室有误差的，分析原因：（1）加入酸、碱后不摇动或摇动不均匀、不彻底。（2）加入酸、碱后不待其稳定就立即测pH值等。（3）肉眼分辨色度有误差。（4）试剂配制的浓度或使用的量不准确。（5）烧杯清洗不干净。

5．实验讨论

（1）就加入酸或碱后pH变化的来说，生物材料是更像自来水还是更像缓冲液？

(2)分析缓冲液的pH变化情况为什么与自来水的不同？（提示：缓冲液加入少量酸碱后，PH变化不明显，原因是磷酸缓冲液中含有NaH₂P0₄/Na₂HPO₄，其中NaH₂P0₄/溶液显酸性，当加少量NaOH，可以中和OH^-；Na₂HPO₄呈碱性，当加入少量HCl时，可中和H⁺，水溶液而不同，因而加入酸碱后pH变化明显。）

(3)尝试对生物实验材料维持pH稳定的机制进行解释。（提示：生物材料中含有缓冲对NaH₂P0₄/Na₂HPO₄、H₂CO₃/NaHCO₃等，它们能够对酸碱度的变化起缓冲作用，此外，机体还可通过对生理活动进行调节来维持pH稳定。）

6.深化拓展

试分析血浆对酸性物质的缓冲作用。

提示：血浆和红细胞中存在着一系列抗酸和抗碱物质，这些物质形成许多缓冲对，构成一整套的缓冲系统。血浆中的主要缓冲对为：碳酸氢钠（ NaHCO₃）／碳酸（ H₂CO₃）、磷酸氢二钠（Na₂H PO₄）／磷酸二氢钠（NaH₂ PO₄）、蛋白质钠盐／蛋白质。当蒸馏水中加入盐酸（HCl）后，水中的H^＋浓度立即增加， pH降为3左右。但当血浆中加入盐酸（HCl）后，血浆pH并无明显变化。因为盐酸解离时所释放的H^＋已为NaH₂ PO₄（碱性磷酸盐）所中和。以化学式表示如下：

HCl＋Na₂HPO₄= NaCl＋NaH₂PO₄

这里，盐酸是一种强酸，在水溶液中xx电力出大量的H^＋，与磷酸氢根（HPO₄^2-）离子反应生成的磷酸二氢根（H₂PO₄^-）离子则电离程度很低，只能释放出少量的H^＋。因此，溶液中的H^＋浓度只有微小的增加，这就是缓冲对的抗酸作用的具体表现。

参考文献

普通高中课程标准实验教科书《生物·必修3》                                 

                                                         日照一中      刘玉花  高华娟