自制簡易教具探究酶的高效性*

孔凡茹 孫 濤 劉姝昱

（1邯鄲市第一中學 河北邯鄲 056006 2廣州中學 廣東廣州 510520）

比較H2O2在不同條件下的分解，屬于酶的高效性實驗，選自人教版必修1第5章第1節的實驗。存在下列不足：H2O2分解后不僅產生O2，還會生成水，反應產生大量含水分的氣泡，會影響衛生香的復燃，從而導致實驗誤差較大；裝置不嚴密，H2O2分解產生的O2會逸出試管，不能用于定量分析；新鮮的豬肝研磨液中H2O2酶的含量無法測量，很難控制變量；氯化鐵、碘化鉀和二氧化錳都為無機催化劑，都能催化H2O2分解。要證明酶的催化效率比無機催化劑高，應選一個催化效率最高的無機催化劑和相應的酶相比；催化劑只改變化學反應速度，不改變化學反應平衡點，在教材的原實驗中無法得到證實。

師生的需要和現有儀器的配備之間往往存在矛盾，而解決此矛盾的有效途徑之一就是自制教具。為了克服現有技術的缺點，筆者自制酶的高效性實驗演示儀。

1 教具實物圖

圖1 酶的高效性演示儀實物圖

2 教具優點

1）收集到的O2幾乎不含水，衛生香的復燃現象更加明顯。

2）裝置氣密性好，可收集 O2，測出 O2的生成量，將定性觀察上升為定量分析。通過設置分組情況，進行對照實驗，得到結論，酶有高效性。

3）用無機催化劑二氧化錳替代氯化鐵，用化學試劑H2O2酶替代新鮮豬肝研磨液。因為化學試劑H2O2酶的分子數可測量、可計算，可使實驗遵循等量對照原則。比較H2O2酶和催化效率最高的無機催化劑二氧化錳探究酶的高效性，更具說服力。

4）可定量收集 O2，用秒表記錄時間，根據化學方程式可以測算具體的化學反應速率。

5）本裝置幾乎可用于所有的常溫下固體和液體、液體和液體發生化學反應生成氣體時，氣體的收集和氣體體積的測定。

6）對于H2O2酶而言，活性測定方法主要有碘量滴定法、紫外分光光度碘量法、直接紫外分光光度法［1］。與此相關的儀器設備成本較高，實驗技能水平要求高，極大限制了高中生物學實驗教學的開展。而本裝置所需材料易得、價格便宜、操作簡單、現象明顯，易于理解酶的高效性結論，更適合應用于高中的生物學實驗教學。

3 材料器具與試劑

新配制的體積分數為3%的H2O2溶液、H2O2酶制劑（購買自河南金誠生物科技公司，酶的質量分數為40%。據JacekS等［2］研究，其相對分子量（Mr）約為 2.7×105，酶活性 20 萬 U／g）、二氧化錳（分子量86.94）。錐形瓶、50 mL注射器、100 mL注射器、三通旋塞、衛生香、火柴、底座、單向閥等。

4 使用方法

圖2 酶的高效性演示儀結構圖

4.1 連接儀器

1）連接順序。先將錐形瓶2安裝在底座1上，再將三通旋塞4、玻璃管6、細管8、粗管9與橡皮塞構成的整體結構（圖3）安裝在錐形瓶上方；將50 mL注射器3安裝到三通旋塞上；將100 mL注射器5安裝到三通旋塞上。每次安裝都以旋入的方式進行。

圖3 三通旋塞4等構成的整體結構

2）保證連接穩定及氣密性的細節。

圖4 注射器5的一端（連接三通旋塞4的一側）

在4與5的連接處，100 mL注射器5的一端有外側和內側2層圓柱形管道，氣體從內側管道通過，外側管道內側有自制螺紋，4與5的孔徑大小剛好吻合，可保證裝置的氣密性。三通旋塞4的一端為玻璃管，可支撐上方100 mL注射器5，確保裝置處于穩定狀態。

圖5 3與4的連接處

圖6 細管8與粗管9

圖7 凹槽

在3與4的連接處，內部含有單向閥和軟管8，確保物質的單向流動。細管8直徑較小，貫穿3與9，進一步防止倒吸現象發生。在細管8外側的粗管9有一定的伸展性，使其與橡皮塞的結合更加緊密，保證裝置的氣密性。

底座1材質為密度較大的松木塊，外部用錫箔紙包裹，挖有凹槽7，使上方的裝置穩定，不宜傾斜。在凹槽內側有塑料圈，直徑大小剛好能容納下錐形瓶底部，因其有一定的伸縮性，可方便旋入和旋出錐形瓶。

4.2 檢查裝置氣密性 轉動三通旋塞使玻璃管一側處于關閉狀態，100 mL注射器與錐形瓶處于連通狀態。50 mL注射器與三通旋塞的連接部分內含單向閥，不會使氣體倒吸進入小注射器內部。輕輕向外拉動或向里推動大注射器的活塞，一段時間后活塞能回到原來的位置，表明裝置的氣密性良好。

4.3 加入試劑 實驗分為甲、乙2組。甲組：向注射器3中加入1.5 mL H2O2溶液，錐形瓶2中加入2 g H2O2酶制劑（由于制劑中酶的質量分數為40%，2 g酶制劑中實際含 H2O2酶 0.8 g，即為2.96×10-6mol）；乙組：向注射器 3 中加入 1.5 mL H2O2溶液，錐形瓶 2中加入 2 g二氧化錳（2.3×10-2mol）；此時二氧化錳的摩爾數大約是過H2O2酶的7 770.27倍。理論上對照實驗應該保持H2O2酶和二氧化錳摩爾數相同，但2.57×10-4g的二氧化錳太少，稱量誤差較大，實驗結果中O2生成速率也太慢，所以都選用了2 g的用量。

4.4 操作儀器，記錄數據 在50 mL注射器與三通旋塞的連接處安裝1個單向閥，防止O2倒吸進入50 mL注射器中。將錐形瓶2固定在底座1上，轉動三通旋塞4，使錐形瓶2與小注射器3連通，推動小注射器3的活塞使H2O2溶液進入錐形瓶2，同時用秒表記錄反應開始的時間，及轉動三通旋塞4使錐形瓶2與大注射器5連通，錐形瓶2中產生的O2進入到大注射器5中，大注射器5的活塞被向上頂起，當大注射器5的活塞不再向上移動時，記錄下所產生的O2體積和反應結束的時間。測算具體的化學反應速率，記錄數據。

4.5 觀察衛生香復燃現象 轉動三通旋塞4，使大注射器5與玻璃管6連通，向下按壓大注射器5的活塞，同時在玻璃管口6處放置帶火星的衛生香，觀察復燃現象。

5 實驗結果

1）衛生香復燃現象明顯。

圖8 衛生香復燃現象

2）進行定量分析，收集O2，測定氧氣含量和化學反應速率，在坐標紙上繪制曲線，如圖4所示。

圖9 2種不同催化劑催化作用下O2的生成量隨時間變化的曲線

6 實驗中出現的問題和解決方法

1）若加入的 H2O2或產生的O2過多，可更換更大容量的注射器。

2）若反應速度過快，有大量氣體迅速產生，避免三通旋塞被氣體沖出，可轉動三通旋塞，使玻璃管一側處于開放狀態，讓氣體從玻璃管一側釋放即可。可先做一個預實驗，以確定好實驗中過氧化氫酶和過氧化氫溶液的用量。

3）若學生操作不熟練，為節約時間和能夠觀察到明顯的衛生香復燃現象，可在加入試劑前點燃衛生香，放置一側。

真實的課堂不會僅是預設的再現，更多的是非預設生成性資源［3］。當出現一些和預期不相符的實驗現象時，要抓住契機，引導學生以生物學事實和證據為基礎分析其中的原因，獲得相關生物學概念，有利于培養學生的批判性思維等生物學核心素養，并使整個教學過程充滿科學性和趣味性。學生實驗探究能力需要在構建情境活動中培養［4］，需要教師精心設計教學活動和長期耐心的引導。