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的速率以證明反應速率與固體反應物的質(zhì)量和表面積的關系，并將實驗結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。

關鍵詞： 海藻酸鈉; 模擬鈣片; 鈣爾奇; 手持技術; 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

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甘露糖醛酸兩種結構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?運用手持技術探究負載碳酸鈣的海藻酸鈉微球與鹽酸的反應速率

4.1?手持技術

手持技術（Hand-held Technology），即數(shù)字化手持技術實驗，又稱為掌上實驗室（Lab In Hand），是由計算機和微電子技術相結合的新型數(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。它能感觸到的相關信息包括氣壓、離子濃度和相對濕度等。

（3） 計算機及相應軟件： 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)信息技術與學科教學的整合[5]。

4.2?運用手持技術探究負載不等量碳酸鈣的海藻酸鈉微球與鹽酸的反應速率

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）。

實驗結論： 圖3中a、 b、 c、 d、 e對應的是負載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，反應速率越快。

4.3?運用手持技術探究顆粒數(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）。

實驗結論： 圖4中a、 b、 c、 d、 e對應的是含有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時單位時間內(nèi)氣壓變化較大，反應速率較快。因為含有0.66g CaCO3的海藻酸鈉微球數(shù)量關系為： N8.9%>N16.3%>N22.6%>N28.1%>N32.8%，因此，固體反應物的表面積大小關系為： S8.9%>S16.3%>S22.6%>S28.1%>S32.8%。上述實驗數(shù)據(jù)也證實了固體反應物的表面積越大，反應速率越快。

5?運用手持技術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)絡結構中的羧基結合氫離子形成羧酸，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）。

實驗結論： 圖5顯示模擬鈣片與3mol/L鹽酸的反應在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與鹽酸反應的系列實驗，探索了固體反應物的表面積和質(zhì)量對反應速率的影響。以往的中學化學教學中大多通過改變液體反應物的濃度、環(huán)境溫度來改變化學反應的速率，本實驗探索了通過改變固體反應物的表面積來改變反應速率的可能性。

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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