海藻酸鈉模擬鈣片和鈣爾奇鈣片緩釋作用的實驗探究

徐敏 鄭麗娟

摘要： 海藻酸鈉以其獨特的理化性能成為十分優(yōu)質(zhì)的緩釋和控制制劑。運用手持技術(shù)探究負載不等量CaCO3的海藻酸鈉微球和負載等量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，并將實驗結(jié)論運用于制作模擬鈣片，以比較市售鈣爾奇鈣片對人體的緩釋作用。

關(guān)鍵詞： 海藻酸鈉; 模擬鈣片; 鈣爾奇; 手持技術(shù); 化學實驗探究

文章編號： 10056629（2018）12008104中圖分類號： G633.8文獻標識碼： 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，其含鈣量相當于每片含碳酸鈣0.68g。實驗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，將碳酸鈣負載于海藻酸鈉上與金裝鈣爾奇作對比，研究兩者的緩釋作用，以期為改進市售的各種補鈣劑提供借鑒。

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。當遇陽離子如Ca2+、 Zn2+，會交聯(lián)固化（見圖1）[1～4]。

3?負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溶液進行固化，獲得不同配比直徑為2mm的負載CaCO3的海藻酸鈉微球，漏勺過濾，蒸餾水清洗。

4?運用手持技術(shù)探究負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)實驗，又稱為掌上實驗室（Lab In Hand），是由計算機和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型數(shù)字化實驗手段，主要包括： 數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計算機及其配套軟件三個部分。

（1） 數(shù)據(jù)采集器： 數(shù)字化實驗的轉(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，收集、存儲數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給計算機，是連接傳感器和計算機的橋梁。

（2） 傳感器： 數(shù)字化實驗的感知元件。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)采集器能夠識別和分析的電信號，“傳”是將電信號傳遞給數(shù)據(jù)采集器和計算機。它能感觸到的相關(guān)信息包括氣壓、離子濃度和相對濕度等。

（3） 計算機及相應(yīng)軟件： 數(shù)字化實驗的處理元件。專門的軟件能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行記錄與分析處理，并通過計算機完成對實驗數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲以及傳輸，實現(xiàn)信息技術(shù)與學科教學的整合[5]。

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

實驗儀器和藥品： 威尼爾氣體壓強傳感器、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、臺式電腦、500mL三頸燒瓶、橡皮塞、20mL注射器、負載不等量CaCO3的海藻酸鈉微球、3mol/L鹽酸

實驗過程： 分別揀取80粒負載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傳感器立即采集0～125s的氣體壓強數(shù)據(jù)作圖（見圖3）。

實驗結(jié)論： 圖3中a、 b、 c、 d、 e對應(yīng)的是負載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的壓強變化曲線。圖像顯示隨著海藻酸鈉微球中CaCO3平均負載量的增加，單位時間內(nèi)氣壓變化越明顯，反應(yīng)速率越快。

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

實驗儀器和藥品： 威尼爾氣體壓強傳感器、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、臺式電腦、 500mL三頸燒瓶、橡皮塞、 20mL注射器、負載等量CaCO3的海藻酸鈉微球、 3mol/L鹽酸

實驗過程： 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傳感器立即采集0～125s的氣體壓強數(shù)據(jù)作圖（見圖4）。

實驗結(jié)論： 圖4中a、 b、 c、 d、 e對應(yīng)的是含有0.66g CaCO3的負載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的壓強變化曲線。圖像顯示CaCO3平均含量小的微球與鹽酸反應(yīng)時單位時間內(nèi)氣壓變化較大，反應(yīng)速率較快。因為含有0.66g 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%。上述實驗數(shù)據(jù)也證實了固體反應(yīng)物的表面積越大，反應(yīng)速率越快。

5?運用手持技術(shù)探究負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，當外界環(huán)境的pH偏酸性時，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);當外界環(huán)境的pH偏中性或堿性時，羧基以陰離子形式存在，分子間的羧基因帶負電荷而相互排斥，此時微球處于溶脹狀態(tài)，可以釋放所包封的活性成分或藥物[6～10]。

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

5.1?負載CaCO3的海藻酸鈉模擬鈣片的制備

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

實驗儀器和藥品： 威尼爾氣體壓強傳感器、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、臺式電腦、500mL三頸燒瓶、橡皮塞、20mL注射器、負載0.5g CaCO3的海藻酸鈉模擬鈣片、3mol/L鹽酸

實驗過程： 用藥匙分別取1片模擬鈣片和1片鈣爾奇鈣片置于兩個三頸燒瓶中，按圖2方式連接儀器，用注射器向兩個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傳感器立即采集0～200s的氣體壓強數(shù)據(jù)作圖（見圖5）。

實驗結(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)生二氧化碳氣體的壓強變化不大，比鈣爾奇鈣片的緩釋作用好。

6?反思

實驗探究了以海藻酸鈉為載體負載不溶性固體CaCO3與鹽酸反應(yīng)的系列實驗，探索了固體反應(yīng)物的表面積和質(zhì)量對反應(yīng)速率的影響。以往的中學化學教學中大多通過改變液體反應(yīng)物的濃度、環(huán)境溫度來改變化學反應(yīng)的速率，本實驗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)字化實驗儀器有效地監(jiān)測了固液反應(yīng)的進程，對氣體壓強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。

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

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