摘要 介紹了一種結(jié)合中學(xué)化學(xué)與物理知識定量測定大鼠呼吸速率的實驗方法。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，通過沉淀量計算大鼠的呼吸速率：并通過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)液滴的移動的距離乘以橫截面積。實驗結(jié)果表明：(1)實驗組的BaCO₃生成量遠(yuǎn)大于對照組．計算其差值可以定量測定大鼠的呼吸速率；(2)玻璃管內(nèi)液滴移動明顯。因此本次探究證明在中學(xué)生物實驗教學(xué)中可以利用此化學(xué)定量分析法測定小型哺乳動物的呼吸速率。

關(guān)鍵詞 中學(xué)生物實驗 定量分析 呼吸速率

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B

在上海二期課改中，高中生命科學(xué)教材中關(guān)于呼吸作用的知識點，僅在課程起始要求以酵母呼吸作用的演示實驗對呼吸作用的概念進(jìn)行引入，而在整章節(jié)中沒有設(shè)置有關(guān)測定生物呼吸作用的學(xué)生實驗。因此，本次實驗考慮在呼吸作用的章節(jié)中加入用定量分析法測定動物呼吸速率的學(xué)生實驗，選取貼近學(xué)生生活的小型哺乳動物大鼠作為實驗材料，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點。

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

1 實驗材料與儀器

1.1 實驗材料

Ba(OH)₂，墨滴，大鼠，乙醚，凡士林。

1.2 實驗儀器

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

2 研究方法及原理

2.1 呼吸作用

動物在O₂充足的情況下進(jìn)行有氧呼吸作用，通常簡稱呼吸作用，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

本次實驗利用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)特點為反應(yīng)迅速，且因為BaCO₃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，本反應(yīng)的產(chǎn)物不含氣體，所以不影響實驗中小鼠呼吸作用對氣體的消耗和產(chǎn)生，可以用來定量計算呼吸速率。

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 小液滴法測量氣體變化量

用水平玻璃直管連接兩個裝有氣體的裝置(圖1)，當(dāng)一側(cè)氣壓改變時，小液滴在無外界阻力條件下向氣壓小的一側(cè)移動，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。

在本次實驗中，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，且理論上小液滴移動的體積應(yīng)為呼吸作用消耗的O₂體積。

3 實驗步驟

(1)配制過飽和Ba(OH)₂溶液，過濾，取150mL倒入廣口瓶。

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

(3)密封實驗裝置，在接口處涂以凡士林保證整個裝置的氣密性，開始計時，觀察小液滴是否移動，驗證氣密性。若移動，則繼續(xù)實驗；若不發(fā)生移動，則停止計時，重新密封再次驗證。

(4)15min后，記錄液滴移動距離，并將廣口瓶內(nèi)溶液過濾，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，用分析天平稱量，記錄數(shù)據(jù)。

(6)洗凈實驗器材。

(7)取大鼠一只，并稱量體重。

(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)上述試驗步驟。

(9)將兩次實驗中Ba(OH)₂濾液置于不同燒杯內(nèi)，放置一段時間，有沉淀產(chǎn)生說明Ba(OH)₂未反應(yīng)完，干燥所得的沉淀未超過測量范圍，可以進(jìn)行定量計算。

4 結(jié)果與分析

4.1 大鼠呼吸速率的計算及分析(表1)

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

計算兩次平行實驗大鼠的呼吸速率可以發(fā)現(xiàn)，兩次實驗定量計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)，說明了本次實驗的實驗方法所產(chǎn)生的實驗結(jié)果差異較小，具有一定的穩(wěn)定性及可重復(fù)性。

4.2 小液滴移動距離描述

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

用小液滴法測量氣體變化量，并未做到定量計算，但是卻可以明顯的看到呼吸作用所導(dǎo)致的氣體減少，讓整個實驗現(xiàn)象更加明顯。

5 討論

理論而言大鼠呼吸速率(以耗氧量計)為0.68～1.10mL／(g·h)。而本次實驗中得出的大鼠呼吸速率(以耗氧量計)為0.30～0.36mL／g／h，分析實驗組數(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濾時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造成的損耗也可能導(dǎo)致實驗結(jié)果偏小。

在用小液滴法測量氣體變化量時觀察發(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，且每次移動距離基本相同。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)這種節(jié)律性的移動與大鼠呼吸頻率一致。而在實驗后期小液滴基本保持靜止的原因可能為氣密性問題，或是容器中氧氣大量減少而產(chǎn)生的。

本次實驗的實驗儀器多可動手制作，中學(xué)的學(xué)科交叉較多，可以從不同的實驗室取材，有利于更好地完成實驗。比如實驗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更好；玻璃直管用中學(xué)物理實驗用到的u型管代替，通過氣壓來計算氣體體積變化，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驗過程更簡便。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)生動腦，也不失為對于學(xué)生觀察生活，獨立解決問題的一個鍛煉。

此外，本次實驗的取材可以多樣化，比如種子、植物體或昆蟲。作為課堂實驗而言，要求所選材料的呼吸作用需較強(qiáng)，以避免實驗耗費的時間過長或是產(chǎn)生的反應(yīng)太過微弱難以定量測；如果作為課外探究實驗則選材更為廣泛。

本次實驗是對上海二期課改后理科綜合實驗的初步探究，實驗的目的基本得到實現(xiàn)，對于課本相關(guān)內(nèi)容的學(xué)生實驗中的空白部分進(jìn)行填補(bǔ)，并引入更為準(zhǔn)確的定量實驗方法，為學(xué)生獨立思考問題、解決問題提供了實驗的平臺，實現(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)。