徐敏 鄭麗娟

摘要： 海藻酸鈉以其獨(dú)特的理化性能成為十分優(yōu)質(zhì)的緩釋和控制制劑。運(yùn)用手持技術(shù)探究負(fù)載不等量CaCO3的海藻酸鈉微球和負(fù)載等量CaCO3的顆粒數(shù)不等的海藻酸鈉微球分別與鹽酸反應(yīng)的速率以證明反應(yīng)速率與固體反應(yīng)物的質(zhì)量和表面積的關(guān)系，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)論運(yùn)用于制作模擬鈣片，以比較市售鈣爾奇鈣片對(duì)人體的緩釋作用。

關(guān)鍵詞： 海藻酸鈉; 模擬鈣片; 鈣爾奇; 手持技術(shù); 化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2018）12008104中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1?引言

市售鈣爾奇鈣片的主要成分是碳酸鈣，以一種每片含鈣273.5mg的金裝鈣爾奇為例，其含鈣量相當(dāng)于每片含碳酸鈣0.68g。實(shí)驗(yàn)表明一粒金裝鈣爾奇鈣片與20mL3mol/L稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的速率較快（開始100s內(nèi)氣壓約增大22kPa），能否找到緩釋作用更好的補(bǔ)鈣劑？有鑒于海藻酸鈉在食品加工業(yè)中廣泛用作緩釋和控制制劑，將碳酸鈣負(fù)載于海藻酸鈉上與金裝鈣爾奇作對(duì)比，研究?jī)烧叩木忈屪饔?，以期為改進(jìn)市售的各種補(bǔ)鈣劑提供借鑒。

2?海藻酸鈉和固化反應(yīng)

海藻酸鈉是從褐藻類的海帶或馬尾藻中提取碘和甘露醇之后的副產(chǎn)物，是一種天然高分子多糖，具有良好的生物兼容性，且無毒可食用，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥和食品加工業(yè)，用作緩釋劑和控制劑。

海藻酸鈉是由和αL古羅糖醛酸和1，4聚βD甘露糖醛酸兩種結(jié)構(gòu)單元組成的線性聚合物，分子式為[C6H7O6Na]n，為陰離子型的高分子。當(dāng)遇陽(yáng)離子如Ca2+、 Zn2+，會(huì)交聯(lián)固化（見圖1）[1～4]。

3?負(fù)載碳酸鈣粉的海藻酸鈉微球的制備

（1） 配制3.8%的CaCl2溶液： 稱取8g CaCl2加入200mL蒸餾水中攪拌得到3.8%的CaCl2溶液。

（2） 配制2.2%海藻酸鈉溶膠： 稱取15.5g海藻酸鈉加入700mL沸水中攪拌30min，得到

2.2%的海藻酸鈉溶膠。

（3） CaCO3微球的制備： 分別稱取2g、 4g、 6g、 8g、 10g CaCO3加入到20.5g 2.2%的海藻酸鈉溶膠中，得到含CaCO3 8.9%、 16.3%、 22.6%、 28.1%、 32.8%的懸濁液，再用20mL注射器將懸濁液逐滴滴入3.8%的CaCl2溶液進(jìn)行固化，獲得不同配比直徑為2mm的負(fù)載CaCO3的海藻酸鈉微球，漏勺過濾，蒸餾水清洗。

4?運(yùn)用手持技術(shù)探究負(fù)載碳酸鈣的海藻酸鈉微球與鹽酸的反應(yīng)速率

4.1?手持技術(shù)

手持技術(shù)（Hand-held Technology），即數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，又稱為掌上實(shí)驗(yàn)室（Lab In Hand），是由計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，主要包括： 數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計(jì)算機(jī)及其配套軟件三個(gè)部分。

（1） 數(shù)據(jù)采集器： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)換元件。它完成指令發(fā)送、接受從傳感器傳過來的電信號(hào)，收集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，是連接傳感器和計(jì)算機(jī)的橋梁。

（2） 傳感器： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的感知元件。傳感器的作用是“感”與“傳”，“感”是將感觸到的物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集器能夠識(shí)別和分析的電信號(hào)，“傳”是將電信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)。它能感觸到的相關(guān)信息包括氣壓、離子濃度和相對(duì)濕度等。

（3） 計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的處理元件。專門的軟件能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析處理，并通過計(jì)算機(jī)完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲(chǔ)以及傳輸，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合[5]。

4.2?運(yùn)用手持技術(shù)探究負(fù)載不等量碳酸鈣的海藻酸鈉微球與鹽酸的反應(yīng)速率

實(shí)驗(yàn)儀器和藥品： 威尼爾氣體壓強(qiáng)傳感器、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、臺(tái)式電腦、500mL三頸燒瓶、橡皮塞、20mL注射器、負(fù)載不等量CaCO3的海藻酸鈉微球、3mol/L鹽酸

實(shí)驗(yàn)過程： 分別揀取80粒負(fù)載8.9%、 16.3%、 22.6%、 28.1%、 32.8%CaCO3的海藻酸鈉微球于三頸燒瓶中，按圖2方式連接儀器，分別用注射器向三頸燒瓶中注入濃度為3mol/L鹽酸20mL，利用威尼爾氣體壓強(qiáng)傳感器立即采集0～125s的氣體壓強(qiáng)數(shù)據(jù)作圖（見圖3）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 圖3中a、 b、 c、 d、 e對(duì)應(yīng)的是負(fù)載8.9%、 16.3%、 22.6%、 28.1%、 32.8%CaCO3的海藻酸鈉微球分別與3mol/L鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生CO2的壓強(qiáng)變化曲線。圖像顯示隨著海藻酸鈉微球中CaCO3平均負(fù)載量的增加，單位時(shí)間內(nèi)氣壓變化越明顯，反應(yīng)速率越快。

4.3?運(yùn)用手持技術(shù)探究顆粒數(shù)不等的負(fù)載等量碳酸鈣的海藻酸鈉微球與鹽酸的反應(yīng)速率

實(shí)驗(yàn)儀器和藥品： 威尼爾氣體壓強(qiáng)傳感器、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、臺(tái)式電腦、 500mL三頸燒瓶、橡皮塞、 20mL注射器、負(fù)載等量CaCO3的海藻酸鈉微球、 3mol/L鹽酸

實(shí)驗(yàn)過程： 分別稱取4.55g 8.9%、 2.32g 16.3%、 2.40g22.6%、 1.48g 28.1%、 1.25g 32.8%CaCO3的海藻酸鈉微球（碳酸鈣的含量都約為0.66g固化后的微膠囊的質(zhì)量會(huì)小于之前的懸濁液，通過稱取全部固化后微膠囊的質(zhì)量，可得對(duì)應(yīng)0.66g CaCO3的微膠囊的質(zhì)量。）于三頸燒瓶中，按圖2方式連接儀器，用注射器向三頸燒瓶中注入濃度為3mol/L鹽酸20mL，利用威尼爾氣體壓強(qiáng)傳感器立即采集0～125s的氣體壓強(qiáng)數(shù)據(jù)作圖（見圖4）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 圖4中a、 b、 c、 d、 e對(duì)應(yīng)的是含有0.66g CaCO3的負(fù)載8.9%、 16.3%、 22.6%、 28.1%、 32.8%CaCO3的海藻酸鈉微球分別與3mol/L鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生CO2的壓強(qiáng)變化曲線。圖像顯示CaCO3平均含量小的微球與鹽酸反應(yīng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)氣壓變化較大，反應(yīng)速率較快。因?yàn)楹?.66g CaCO3的海藻酸鈉微球數(shù)量關(guān)系為： N8.9%>N16.3%>N22.6%>N28.1%>N32.8%，因此，固體反應(yīng)物的表面積大小關(guān)系為： S8.9%>S16.3%>S22.6%>S28.1%>S32.8%。上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證實(shí)了固體反應(yīng)物的表面積越大，反應(yīng)速率越快。

5?運(yùn)用手持技術(shù)探究負(fù)載碳酸鈣的海藻酸鈉模擬鈣片與鈣爾奇鈣片的緩釋作用

海藻酸鈉所形成的水凝膠微球?qū)儆趐H敏感型凝膠，當(dāng)外界環(huán)境的pH偏酸性時(shí)，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的羧基結(jié)合氫離子形成羧酸，分子間的作用力減弱，微球處于收縮狀態(tài);當(dāng)外界環(huán)境的pH偏中性或堿性時(shí)，羧基以陰離子形式存在，分子間的羧基因帶負(fù)電荷而相互排斥，此時(shí)微球處于溶脹狀態(tài)，可以釋放所包封的活性成分或藥物[6～10]。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論和海藻酸鈉的敏感性，利用海藻酸鈉負(fù)載CaCO3制作的模擬鈣片表面積不宜太大，負(fù)載的質(zhì)量與每片鈣爾奇鈣片所含CaCO3質(zhì)量相等（見表1）。

5.1?負(fù)載CaCO3的海藻酸鈉模擬鈣片的制備

稱取負(fù)載10%CaCO3的海藻酸鈉溶膠5g加入3.8%的CaCl2溶液中固化，過濾清洗后得到含0.5g的模擬鈣片，干燥后稱得質(zhì)量為2.68g。

5.2?運(yùn)用手持技術(shù)探究負(fù)載碳酸鈣的海藻酸鈉模擬鈣片與鈣爾奇鈣片的緩釋效果

實(shí)驗(yàn)儀器和藥品： 威尼爾氣體壓強(qiáng)傳感器、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、臺(tái)式電腦、500mL三頸燒瓶、橡皮塞、20mL注射器、負(fù)載0.5g CaCO3的海藻酸鈉模擬鈣片、3mol/L鹽酸

實(shí)驗(yàn)過程： 用藥匙分別取1片模擬鈣片和1片鈣爾奇鈣片置于兩個(gè)三頸燒瓶中，按圖2方式連接儀器，用注射器向兩個(gè)三頸燒瓶中分別注入濃度為3mol/L鹽酸20mL，利用威尼爾氣體壓強(qiáng)傳感器立即采集0～200s的氣體壓強(qiáng)數(shù)據(jù)作圖（見圖5）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 圖5顯示模擬鈣片與3mol/L鹽酸的反應(yīng)在0～200s內(nèi)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的壓強(qiáng)變化不大，比鈣爾奇鈣片的緩釋作用好。

6?反思

實(shí)驗(yàn)探究了以海藻酸鈉為載體負(fù)載不溶性固體CaCO3與鹽酸反應(yīng)的系列實(shí)驗(yàn)，探索了固體反應(yīng)物的表面積和質(zhì)量對(duì)反應(yīng)速率的影響。以往的中學(xué)化學(xué)教學(xué)中大多通過改變液體反應(yīng)物的濃度、環(huán)境溫度來改變化學(xué)反應(yīng)的速率，本實(shí)驗(yàn)探索了通過改變固體反應(yīng)物的表面積來改變反應(yīng)速率的可能性。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器有效地監(jiān)測(cè)了固液反應(yīng)的進(jìn)程，對(duì)氣體壓強(qiáng)變化曲線所做的斜率大小分析較好地詮釋了固液反應(yīng)的速率大小。

教學(xué)中教師引導(dǎo)學(xué)生從圖像曲線中發(fā)現(xiàn)問題、分析并解決問題，培養(yǎng)了學(xué)生的宏觀辨識(shí)與微觀探析能力，發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

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