扩散与渗透

概念教师准备学生实验方案
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  1. 琼脂中的扩散
    • 注意:在本实验中,你将获得含有酚酞指示剂的琼脂。当酚酞暴露于琼脂正常的碱性环境时,会呈现粉红色;但在中性或酸性条件下,它会由粉红色变为无色。你将制作不同大小和形状的琼脂块,作为细胞模型,以研究细胞大小和形状对扩散速率的影响。
    • 制作第一组细胞时,测量并切割一个边长为1厘米的小型琼脂立方体。
    • 接着,测量并切割一个边长为2厘米的中型琼脂立方体和一个边长为3厘米的大型琼脂立方体。
    • 已知立方体各边长度,使用以下公式计算其表面积,其中小写字母 a 表示边长:表面积 = 6a^2
    • 将这些数值记录在表1的相应列中。点击此处下载表1
    • 然后使用相同的边长值和以下公式计算每个立方体的体积,并将结果填入表格:体积 = a^3 假设:实验假设可能是酸在小型细胞中完全扩散至中心的速度快于中型和大型细胞。零假设可能是酸在小型细胞与两个较大立方体中扩散至中心所需时间大致相同。
    • 向三个400 mL烧杯中各加入100 mL的0.1 M HCl,以制备扩散浴。
    • 以小组合作方式进行实验,一名实验者准备好计时器,第二和第三名实验者准备将每个立方体分别放入一个烧杯中。
    • 当第一名实验者发出“开始”指令时,同时将三个立方体投入各自的烧杯中,并启动计时器。
    • 仔细观察,直到其中一个立方体完全变为无色或已过去10分钟为止。
    • 停止计时,将琼脂立方体从烧杯中取出,并放入培养皿中。
    • 记录三个细胞中哪一个最先完全变透明或残留粉红色区域最小,同时记录哪一个细胞残留的粉红色琼脂最多。
    • 接下来,在表1中计算每个细胞的表面积与体积比。表面积:体积比 = (表面积)/体积
    • 随着细胞尺寸增大,注意表面积与体积比是增加还是减小。同时思考这一变化是否与你观察到的酸在琼脂细胞中的扩散深度相关。如果细胞依赖扩散作用将必需营养物质和分子输送至整个细胞,请与小组成员讨论,拥有更大或更小的表面积与体积比是否更有利。
    • 现在,利用剩余的琼脂,切割三个不同尺寸的矩形块,并记录其长度、宽度和高度。这将用于测试当细胞形状不同时会发生什么情况。
    • 使用以下公式计算矩形细胞的表面积,其中长度为 l,宽度为 w,高度为 h。表面积 = 2lw + 2lh + 2wh
    • 然后使用以下公式计算矩形体的体积:体积 = l * w * h
    • 重复实验,将新形状的琼脂块放入盐酸溶液中10分钟,或直到其中一个完全变为无色。
    • 将细胞形状从溶液中取出,观察盐酸扩散进入每个细胞的深度,以及哪些形状的细胞残留粉红色区域最小或最大(即溶质未到达的区域)。
    • 根据你记录的矩形体表面积和体积数据,计算这些细胞的表面积与体积比。表面积:体积比 = (表面积)/体积
    • 思考这些数值是否与扩散最完全和最不完全的细胞相对应。此外,与小组讨论这些矩形细胞的扩散模式是否与立方体细胞相似或不同,以及这可能意味着什么。
  2. 分子通过半透膜的移动
    • 实验开始前,向四个1 L烧杯中各加入250 mL蒸馏水。
    • 然后将烧杯编号为1至4,并向第一个烧杯中加入0.5 mL碘液。假设:本实验的实验假设是某些溶质能够穿过透析管膜,而其他则不能;零假设是各溶质穿过透析管膜的能力无差异。
    • 准备透析管时,从蒸馏水浴中逐个取出透析管,并在每根管的一端打紧结。这些管子在装满后将作为模型细胞,其中透析管起到类似半透膜的作用。
    • 向第一根管中加入10 mL淀粉溶液,并将开口端扎紧,注意留出空间以防实验过程中管子膨胀。
    • 然后分别向第二和第三根透析管中加入10 mL NaCl溶液和葡萄糖(dextrose)溶液,并将两端扎紧,同样留出膨胀空间。
    • 向第四根管中加入10 mL蒸馏水并扎紧后,称量每个模型细胞的质量。
    • 将初始质量值(以克为单位)以及每根管中起始溶液的颜色记录在表2的相应列中。点击此处下载表2
    • 用自来水快速冲洗透析管外壁后,将每根管分别放入对应的烧杯中,在室温下放置1小时。注意:例如,淀粉溶液管应放入含碘的烧杯中。
    • 扩散期结束后,再次称量各透析管。
    • 然后仔细观察各管,注意是否有颜色变化。
    • 将所有这些数据记录在表2中。
    • 接下来,为进行本尼迪克特试剂(Benedict's Reagent)检测还原糖,通过向600 mL烧杯中加入250 mL水并置于加热板上,制备水浴。
    • 将加热板调至高温,使水沸腾。
    • 将两个新的玻璃试管分别标记为 H2O 和 dextrose。
    • 使用量筒从水和葡萄糖烧杯中分别转移1 mL溶液至对应的试管中。
    • 然后向每支试管中加入2 mL本尼迪克特试剂。
    • 待水沸腾后,将每支试管放入水浴中加热3-5分钟。
    • 加热结束后,观察并记录每支试管中溶液的颜色。
    • 然后根据此标准判断检测结果为阳性或阴性,并将结果记录在表2的相应列中。点击此处下载图1
  3. 结果
    • 首先,比较四个透析管细胞在实验开始和结束时的质量。计算每个细胞的质量变化,并将其绘制成柱状图。
    • 注意哪些细胞质量变化最大,以及是否有细胞在尺寸上出现明显差异。
    • 对于淀粉与碘指示剂的实验,注意人工细胞内液体是否发生颜色变化。同时考虑烧杯中的水是否变色,并结合这两项观察结果分析透析管膜的特性。
    • 最后,在葡萄糖的本尼迪克特试剂检测中,注意这种还原糖是否能穿过“细胞”的半透膜进入烧杯中的水中。与全班讨论你认为哪些分子能够穿过半透膜,哪些不能。