苯丁醚实验室制备

实验目的：  1.了解蒸馏（常量法）和微量法测定沸点的原理和意义。

2.掌握蒸馏和微量法测定沸点的方法。

实验药品： 工业乙醇10 mL，无水乙醇（少量，用于微量法测沸点），甘油

仪器设备： 电热套，B型管，标准磨口仪

实验原理：每一种纯液态有机物在一定压力下具有固定的沸点。蒸馏是将液体混合物加热至沸使其变为蒸气，然后将其冷凝为液体的过程。蒸馏是分离和提纯液体有机化合物（沸点相差30℃以上）最常用的方法之一。

蒸馏（常量法测定沸点）也可作为鉴定有机物和判断物质纯度的一种方法。（注意：分馏与蒸馏的区别和联系）

实验步骤：（请每次板书主要内容，示范搭建装置，并详细讲解每种仪器和装置，特别是仪器和装置的注意事项）

1.蒸馏：

按图安装装置（教材图2-12-1），于烧瓶中加入工业酒精10 mL，1-2粒沸石。将冷疑管通入冷水，然后加热，控制加热速度，使馏出液1-2D/秒。

收集馏液温度稳定时的馏分。停止蒸馏，先除去热源，后停止通水，再拆卸仪器。量取馏分的体积，计算回收率。

2.微量法测沸点（两人一组）：

在沸点管中滴入4-5D无水乙醇（约5-8mm高），插入上端封口的毛细管（讨论如何自制一端封口的毛细管），将沸点管用橡皮圈固定在温度计旁（样品与温度计水银球平行，装置图参见教材P30图2-9-1），用甘油作热浴，开始加热。

当毛细管内出现一连串小气泡时，撤除热源，小气泡逸出的速度逐渐减慢，直至最后一个气泡出现而欲缩回到毛细管内的瞬时温度，记为沸点。测2次，取平均值。

注意事项：

1.安装装置时要求从下至上，从左到右的次序安装。装置要正确、稳妥。实验结束后，拆卸装置与此次序刚好相反。

2. 蒸馏操作：①加料及沸石；③通冷凝水；④加热；⑤蒸馏完毕先撤热源，再停止通水。

3.微量法测沸点时，液体样品不能加得过多；加热速度需要控制。

（1）原料加入依据先加入密度小的再加入密度大的液体，所以浓硫酸应最后加入，防止浓硫酸使有机物脱水，被氧化等副反应发生，防止乙醇和酸在浓硫酸溶解过程中放热而挥发；2-羟基-4-苯基丁酸于三颈瓶中，加入适量浓硫酸和20mL无水乙醇发生的是酯化反应，存在化学平衡，油水分离器的作用及时分离生成的水，促进平衡正向进行分析，

故答案为：否；及时分离产物水，促进平衡向生成酯的反应方向移动；

（2）依据反应需要可知温度70°C，需要用温度计控制水浴的温度，所以加热方式是水浴加热，故答案为：水浴加热；

（3）2-羟基-4-苯基丁酸和乙醇在浓硫酸催化作用下水浴加热反应生成2-羟基-4-苯基丁酸乙酯和水，依据酯化反应的实质是酸脱羟基、醇脱氢，该反应的化学方程式为，

故答案为：；

（4）饱和碳酸钠溶液可以吸收挥发出的乙醇，中和挥发出的2-羟基-4-苯基丁酸，降低生成酯的溶解度；

①乙醇易挥发，在生成物中含有乙醇易溶于水，碳酸钠溶液吸收过量的乙醇，符合碳酸钠溶液的作用，故①正确；

②有机酸在加热过程中挥发出掺入产物，加入碳酸钠溶液和酸反应可以除去过量的有机酸，故②正确；

③饱和碳酸钠溶液降低产品在水中溶解度，不是促进产品水解，故③错误；      

④降低产品在水中溶解度，利于生成的酯分层分离，故④正确；

故答案为：①②④；

（5）依据蒸馏装置和原理分析判断装置图中存在的问题，分析装置图不合理，其中温度计位置错误，冷凝管水流方向错误，应使温度计处在蒸馏烧瓶的支管口处，冷却水应从下口进上口出，

故答案为：温度计处在蒸馏烧瓶的支管口处，冷却水应从下口进上口出．

一、【实验探讨】

有所学知识可知，分子式为C2H6O的结构简式有两种：CH3CH2-OH,CH3-O-CH3。由结构式可知，当乙醇的结构式为第一种情况时，则与钠反应断开的键为羟基上的氢氧键，则产生氢气的量与所用乙醇的量的关系为2:1的；若乙醇的结构式为第二种情况，则因为所有氢的化学环境相同，则产生氢气的量与所消耗的乙醇的量为3:1的关系。因此，有以上分析我们可知，当产生氢气的量与加入乙醇的量为2:1的关系时，乙醇的结构式为CH3CH2-OH，当产生氢气的量与加入乙醇的量的3:1的关系时，则乙醇的结构式为CH3-O-CH3。

二、【实验原理】

钠与乙醇反应，生成乙醇钠并逸出氢气。由于生成的乙醇钠包在钠的表面，使反应缓慢，甚至中止。采用加热（使钠与乙醇钠熔融）与搅拌的方法，改进集气装置，能有效地提高氢气得率。

三、【实验装置】

四、【实验步骤及现象 】

4.1步骤

(1) 按实验装置图装好实验装置，在试管里放入已擦干煤油和去除氧化膜的钠粒（半个黄豆大小），试管的胶塞中央，插人一个事先抽入0.4mL无水乙醇的注射器。

(2) 经检查装置的气密性后，缓慢挤压注射器慢慢的加人0.1rnL无水乙醇，同时尽量摇动试管，使钠与无水乙醇充分接触一段时间后在加入一些乙醇，加入量不宜过多，速度也不宜过快，同时用量筒用排水法收集生成的氢气。当反应接近停止时，可将试管稍稍加热。等到没有气体产生、使装置冷却到室温时，准确读出量筒上的刻度，这就是室温下0.4mL无水乙醇与足量钠反应生成氢气的体积。

4.2现象 

钠与乙醇接触后钠渐渐的融化成小球，同时钠表面有大量气泡生成，反应较剧烈但是不如钠与水来的剧烈，用手摸量筒外壁有烫烫的感觉，排水法收集到了氢气的体积为47.0ml

五、【实验数据处理及结论】

5.1数据处理

（1）在量筒中总共收集到1V=47.0ml的水，即可说明实验中产生了47.0ml的氢气。 实验时室温1T=20.8℃=293.95K  大气压1P=101.330Kpa

（2）换算成标况下的氢气体积，

而0.4ml乙醇的量可产生的氢气体积（标况）

5.2结论

通过实验数据的计算可知乙醇的结果式为CH3CH2-OH。

Ⅰ．因溶液中有水，所以先检验水蒸气，选用仪器A，因为CO2是用澄清石灰水来检验的，而SO2也可以使澄清石灰水变浑，二氧化硫能使品红褪色，二氧化碳不能，所以，检验先用品红溶液检验二氧化硫，然后检验二氧化碳，因为KMnO4溶液能与乙烯反应，所以检验二氧化碳之前用FeCl3溶液除尽SO2，并用品红溶液检验是否除尽；然后用溴水检验乙烯；最后通过澄清石灰水确认CO2存在，

故答案为：

序号	选用的仪器（填字母）	加入的试剂	作用
②	A
③			检验SO2
④		FeCl3溶液
⑤			检验SO2是否除尽
⑥		溴水
⑦

Ⅱ．（1）解：（1）甲装置常常浸在温度为70～80的水浴中，水浴能使容器受热均匀，能使甲中乙醇平稳气化成乙醇蒸气，

故答案为：适当加快生成乙醇蒸汽的速率，获得平稳的乙醇气流；

（2）乙醇发生催化氧化生成乙醛和水，方程式为：2CH3CH2OH+O2

铜或银

加热

2CH3CHO+H2O，

故答案为：2CH3CH2OH+O2

铜或银

加热

2CH3CHO+H2O；

（3）鼓气速度过快则会因气流过大，带走过多热量，难以保证反应所需温度，导致反应停止，

故答案为：鼓气速度过快则会因气流过大，带走过多热量，难以保证反应所需温度；

（4）为防止防止丁中水倒吸，安全瓶中的导气管是“短进长出”，所以长导管有缓冲作用；

冷却物质一般常用冰水混合物来冷却；

乙醇氧化为乙醛，依据醛基检验方法进行设计实验，可以利用新制的氢氧化铜检验，化学方程式为：CH3CHO+2Cu（OH）2

△

CH3COOH+Cu2O↓+2H2O，

故答案为：b；a；冰水；新制的氢氧化铜；CH3CHO+2Cu（OH）2

△

CH3COOH+Cu2O↓+2H2O．

实验D-2恒温技术与粘度实验目的1．掌握测定粘度的原理和方法。2．学会用奥式粘度计测定无水乙醇的粘度。实验原理液体粘度大小用粘度系数（）来表示。在化工生产中,输送流体使用泵的所需功率大小与流体的粘度有关。在高分子化学中它可用来测量高分子的分子量（粘均分子量）。一定体积V的液体流过半径为r，长度L的毛细管所需的时间由流体力学的波华须尔(Poiseuille)公式可知：图D2-1水银定温计与恒温槽式中P为毛细管两端的推动力。在S.I制中粘度的单位为帕秒；C.G.S制中为泊（达因秒/厘米2）。因P，r，L很难精确测量，物化中常采用相对校准的方法。即用两种液体，体积V相同，使用同一毛细管测量，设流过的时间分别为t1和t2，则：所以1：2= 1t1 ：2t2 ；而推动力P=gh；h为推动液体流动的液位差。如两液体测量时液位差相同；则有：如1 和 1，t1；（如水，1 和 1见附表，t1由实验测得）已知，再测得待测液体的密度（方法见实验“滴重法测液体表面张力”，本实验测乙醇的粘度，它的密度见附表）和时间就可计算出待测液体的粘度。实验仪器与药品恒温槽一套，奥氏粘度计一根，移液管两支，50ml烧杯两个，洗耳球一个，停表一个，分析纯无水酒精。实验步骤1.把恒温槽温度调节到实验指定温度。2.用移液管移取10毫升无水酒精于预先洗净烘干的奥氏粘度计中。在奥氏粘度计有刻度球的一端联结一乳胶管，将奥氏粘度计垂直架在恒温槽中。3.用洗耳球通过乳胶管抽气，使液面上升。当液面超过奥氏粘度计小球上刻度后（不能流入乳胶管，以免污物使酒精粘污或污物堵塞毛细管）。放开洗耳球，液面下降，用秒表记下液面流经上刻度到下刻度所需地时间。连续测定三次，误差不能超过1秒。4.将奥氏粘度计中酒精倒入回收瓶后，放入烘箱烘干（约需一刻钟，检查毛细管中应确无残留液体）.冷却后用移液管移取10毫升蒸馏水,测量操作与酒精相同。

乙醇和水的密度及水的粘度表

温度/C 5 10 15 20 25 30 35

水密度/g·cm-3 0.99999 0.99973 0.99913 0.99823 0.99708 0.99568 0.99404

乙醇密度/g·cm-3 0.80207 0.79788 0.79367 0.78945 0.78522 0.78097 0.7808

水的粘度/厘泊 1.519 1.307 1.139 1.002 0.8904 0.7975 0.7194

实验数据处理实验数据记录室温： 恒温槽温度(目标)：实验温度下水的密度酒精密度：恒温槽温度控制质量测定 液体粘度测定观察项目 最高温度 最低温度液体名称 水 乙醇温度流经毛细 观察管时间/秒 值 平均值 平均值恒温槽平均温度 粘度/厘泊恒温槽温度波动* （C） *例如写成30.05±0.05C.其中30.05为恒温槽平均温度；±0.05C为温度波动范围。思考题1． 为什么测定粘度时温度要保持恒定？2． 在用奥氏粘度计测量粘度时，为什么水和酒精用移液管移取相同体积？这个体积是否是波华须尔公式中的V？

3． 如果夏天，（例如室温30C）实验需要调节在28C；而实验室没有空调，你准备如何按排实验，绘出实验装置示意图。参考资料[1] 北京大学化学系物化教研室,物理化学实验.(第三版)313-319页.北京大学出版社(1995).[2] 钱人元等,粘度法测高聚物分子量,化学通报,7,396(1955).[3] 崔献英等,物理化学实验,23-28页.中国科学技术大学出版社(2000)[4] Hugh W. Salzberg et. al., Physical Chemistry Laboratory: Principles and Experiments,P351,MACMillan Publishing Co.,INC.(New York).

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无水乙醇粘度的测定

实验D-2恒温技术与粘度

实验目的

1．掌握测定粘度的原理和方法。

2．学会用奥式粘度计测定无水乙醇的粘度。

实验原理

液体粘度大小用粘度系数（）来表示。在化工生产中,输送流体使用泵的所需功率大小与流体的粘度有关。在高分子化学中它可用来测量高分子的分子量（粘均分子量）。一定体积V的液体流过半径为r，长度L的毛细管所需的时间由流体力学的波华须尔(Poiseuille)公式可知：

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图D2-1水银定温计与恒温槽

式中P为毛细管两端的推动力。在S.I制中粘度的单位为帕秒；C.G.S制中为泊（达因秒/厘米2）。因P，r，L很难精确测量，物化中常采用相对校准的方法。即用两种液体，体积V相同，使用同一毛细管测量，设流过的时间分别为t1和t2，则：

所以1：2= 1t1 ：2t2 ；而推动力P=gh；h为推动液体流动的液位差。如两液体测量时液位差相同；则有：

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如1 和 1，t1；（如水，1 和 1见附表，t1由实验测得）已知，再测得待测液体的密度（方法见实验“滴重法测液体表面张力”，本实验测乙醇的粘度，它的密度见附表）和时间就可计算出待测液体的粘度。

实验仪器与药品

恒温槽一套，奥氏粘度计一根，移液管两支，50ml烧杯两个，洗耳球一个，停表一个，分析纯无水酒精。

实验步骤

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1.把恒温槽温度调节到实验指定温度。

2.用移液管移取10毫升无水酒精于预先洗净烘干的奥氏粘度计中。在奥氏粘度计有刻度球的一端联结一乳胶管，将奥氏粘度计垂直架在恒温槽中。

3.用洗耳球通过乳胶管抽气，使液面上升。当液面超过奥氏粘度计小球上刻度后（不能流入乳胶管，以免污物使酒精粘污或污物堵塞毛细管）。放开洗耳球，液面下降，用秒表记下液面流经上刻度到下刻度所需地时间。连续测定三次，误差不能超过1秒。

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4.将奥氏粘度计中酒精倒入回收瓶后，放入烘箱烘干（约需一刻钟，检查毛细管中应确无残留液体）.冷却后用移液管移取10毫升蒸馏水,测量操作与酒精相同。

乙醇和水的密度及水的粘度表

温度/C 5 10 15 20 25 30 35

水密度/g·cm-3 0.99999 0.99973 0.99913 0.99823 0.99708 0.99568 0.99404

乙醇密度/g·cm-3 0.80207 0.79788 0.79367 0.78945 0.78522 0.78097 0.7808

水的粘度/厘泊 1.519 1.307 1.139 1.002 0.8904 0.7975 0.7194

实验数据处理

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实验数据记录

室温： 恒温槽温度(目标)：

实验温度下水的密度酒精密度：

恒温槽温度控制质量测定 液体粘度测定

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观察项目 最高温度 最低温度液体名称 水 乙醇

温度流经毛细

观察管时间/秒

值

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平均值 平均值

恒温槽平

均温度 粘度/厘泊

恒温槽温度

波动* （C）

*例如写成30.05±0.05C.其中30.05为恒温槽平均温度；±0.05C为温度波动范围

位置不够，给我邮箱，我给你发

高中生物必修一实验归纳

实验一 使用高倍显微镜观察几种细胞

1、高倍镜的使用步骤：（1）在低倍镜下找到物象，将物象移至视野中央；（2）转动转换器，换上高倍镜。（3）调节光圈和反光镜，使视野亮度适宜。如果光线较暗时，可用凹面反光镜来对光，同时选用较大的光圈；如果光线明亮时，可用平面反光镜来对光，同时选用较小的光圈。（4）调节细准焦螺旋，使物象清晰。换用高倍镜后不能使用粗准焦螺旋。

2、低倍镜和高倍镜的区别：

透镜大小镜头长短视野亮度物像大小细胞数量

低倍镜 小 短 亮 小 多

高倍镜 大 长 暗 大 少

3、污点位置的判断：用显微镜观察玻片标本时，目镜、物镜、所观察的材料是在同一直线上的，只要分别转动镜头或移动玻片标本，看污物是否随之而动，就可做出正确判断。

实验二 检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质

（一）可溶性还原糖的检测和观察

1、实验原理及化学试剂：

斐林试剂与可溶性还原糖（如葡萄糖、果糖、麦芽糖）反应，生成砖红色沉淀。（这种试剂要现配现用。甲液（质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液）与乙液（质量浓度为0.05g/mL的CuSO4溶液）等量均匀混合生成蓝色Cu（OH）2，Cu（OH）2与可溶性还原糖发生反应。

淀粉、蔗糖等不能与斐林试剂发生颜色反应。

2、实验过程：

选材（应选含糖量较高、颜色为白色或浅色的植物组织，以苹果、梨为最好）研磨过滤组织样液加入斐林试剂（现配现用） 摇匀

水浴加热 观察颜色反应（浅蓝色棕色 砖红色沉淀）。

（二）脂肪的检测和观察

1、实验原理及化学试剂

苏丹Ⅲ染液：把脂肪物质染成橘黄色

苏丹Ⅳ染液：把脂肪物质染成红色

2、实验过程

选材（选含脂肪的种子，以花生种子为较好） 浸泡制作花生子叶临时转片（徒手切片，切片要薄，如厚薄不均就会导致观察时有的地方清晰，有的地方模糊） 滴3滴苏丹Ⅲ染液染色用体积分数为50％的酒精洗浮色 显微镜观察（先用低倍镜，找到子叶最薄处，并移到视野中央，再换高倍镜，调整细焦螺旋观察，可见已着色的脂肪颗粒）。

（三）蛋白质的检测和观察

1、实验原理及化学试剂

双缩脲试剂：与蛋白质发生作用，产生紫色反应。（在碱性溶液中，Cu2＋与蛋白质发生反应）

双缩脲试剂A液：质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液

双缩脲试剂B液：质量浓度为0.01g/mL的CuSO4溶液

2、实验过程

选材（豆浆或鸡蛋蛋白） 取组织样液加入试管中加入双缩脲试剂A液

加入双缩脲试剂B液 摇匀观察，出现紫色。

（四）淀粉的检测和观察

1、实验原理及化学试剂：淀粉遇碘变蓝。

2、实验过程：选用富含淀粉的植物组织（如马铃薯）将组织样液注入试管

滴加碘液 观察颜色反应。

实验三 观察DNA和RNA在细胞中的分布

1、实验原理：甲基绿将细胞核中的DNA染成绿色，吡罗红将细胞质中的RNA染成红色，用甲基绿吡罗红混合染色剂将细胞染色，可以显示DNA和RNA在细胞中的分布。

盐酸的作用：改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞，同时使染色体中的DNA与蛋白质分离，有利于DNA与染色剂结合。

2、实验过程：

取口腔上皮细胞制片 盐酸水解 冲洗涂片染色 观察（先用低倍镜，后用高倍镜）。

3、实验结果：真核的DNA主要存在于细胞核中，此外，在线粒体和叶绿体中也有少量的DNA分布。RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中。

实验四 用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体

1、实验原理

高等绿色植物的叶绿体存在于叶片中。叶绿体一般是绿色的椭球或球形，它的形态和分布不需要染色就可以用高倍镜观察。

健那绿染液是专一性染线粒体的活细胞染料，可使活细胞中的线粒体呈现蓝绿色，而细胞质接近无色。线粒体的形态和分布可用高倍镜观察。

2、实验过程

（1）观察叶绿体：制作藓类叶片（或菠菜叶下表皮）临时装片，用显微镜观察叶绿体（低倍显微镜到高倍显微镜），注意观察叶绿体的形态和分布，绘图。

（2）观察线粒体：制作人口腔上皮细胞临时装片，用低倍显微镜观察，找到观察的对象后移到视野中央，再高倍显微镜观察，细胞内蓝绿色小颗粒即是线粒体，观察其形态和分布。

实验五 通过模拟实验探究膜的透性

（一）实验目的与原理

生物膜（细胞膜、细胞器膜、核膜）具有选择透过性，即对物质的输入和输出有选择性，可以让水分子自由通过，一些小分子和离子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。

玻璃纸（或鸡肠衣、鸡蛋卵壳膜、透析膜）是一种半透膜。

扩散：某种物质的分子从浓度高的地方向浓度低的地方移动的过程。

（二）材料用具

质量分数为15％的硫酸铜溶液，质量分数为30％的蔗糖溶液，蒸馏水，红墨水；250mL烧杯，长颈漏斗，铁架台，玻璃纸（或鸡肠衣、鸡蛋东卵壳膜、透析膜），棉线。

（三）方法步骤

1、取两个长颈漏斗，分别在漏斗口处封上一层玻璃纸；

2、在A漏斗中注入硫酸铜溶液；B漏斗中注入蔗糖溶液，并加入少许红墨水，使其略呈红色；

3、将两个漏斗分别浸入盛有蒸馏水的烧杯中，在两漏斗的液面处做标记；

4、静置一段时间后，观察烧杯中蒸馏水颜色的变化及长颈漏斗的液面变化，并将观察结果填入下表。

实验步骤 装置A 装置B

实验现象 蒸馏水颜色 变蓝 不变

长颈漏斗液面变化 下降 上升

结果分析 长颈漏斗中的铜离子和水分子通过玻璃纸进入烧杯内的蒸馏水中。 水可以通过玻璃纸向漏斗内扩散，而蔗糖和红墨水的染料分子不能透过玻璃纸。

（四）讨论

如果将玻璃纸换成塑料膜，装置A、B中的蒸馏水的颜色将都不发生变化。原因是因为塑料膜不是半透膜。

实验六 植物细胞的吸水和失水

一、实验原理

当细胞液的浓度低于外界溶液的浓度时，细胞液中的水分就透过原生质层进入外界溶液中，使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层比细胞壁的收缩性大，当细胞不断失水时，原生质层就会与细胞壁逐渐分离，即发生质壁分离。

当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时，外界溶液中的水分就透过原生质层进入液泡中，整个原生质层就会慢慢地恢复成原来的状态，即植物细胞发生质壁分离复原。

常用的化学试剂：0.3g/mL蔗糖溶液。（试剂浓度越高，发生现象就越明显。但如果试剂浓度过高，则细胞会因为过度失水而死亡，不能发生质壁分离复原。）

二、实验过程

制作洋葱鳞片叶表皮细胞的临时装片 显微镜观察液泡的大小和原生质层的位置

滴入蔗糖溶液显微镜观察（观察到质壁分离现象） 滴入清水 显微镜观察（发生质壁分离复原）。

实验七 探究影响酶活性的因素

一、实验原理

淀粉遇碘后，形成紫蓝色络合物。淀粉酶可以使淀粉逐步水解成麦芽糖和葡萄糖，这两种物质遇碘后，形成紫蓝色的复合物，但是能与斐林试剂发生氧化还原反应，生成砖红色沉淀。

二、实验过程

（一）探究温度对淀粉酶活性的影响

序号 项目 试管1 试管2 试管3

1 注入可溶性淀粉液 2 mL 2 mL 2 mL

2 置于不同温度的条件下 60℃左右的热水中 沸水中 冰块中

时间 5min 5min 5min

3 注入淀粉酶溶液 1 mL 1 mL 1 mL

4 振荡摇匀保持各自的温度 5 min 5 min 5 min

5 加入碘液 1滴 1滴 1滴

6 观察颜色变化 不变蓝 变蓝 变蓝

（二）探究pH对淀粉酶活性的影响

顺

序 项目 试管

1 2 3

1 注入可溶性淀粉溶液 2mL 2mL 2mL

2 注入蒸馏水 1mL

3 注入5％氢氧化钠溶液 1mL

4 注入5％盐酸溶液 1mL

5 注入新鲜的淀粉酶溶液 1mL 1mL 1mL

6 保温60℃时间 5min 5min 5min

7 注入斐林试剂 2mL 2mL 2mL

8 隔水煮沸 1min 1min 1min

9 实验现象 有砖红色沉淀产生 无 无

三、结论：酶的活性受温度和pH的影响。

实验八 探究酵母菌的呼吸方式

一、实验原理

酵母菌属于真核单细胞生物，在有氧、无氧条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。可用于探究细胞呼吸的不同方式。

通过控制有氧呼吸和无氧呼吸，可以探究酵母菌在不同条件下的呼吸产物。

CO2可使澄清石灰水变浑浊，也可使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿再变黄。因此可用这两种溶液来检测酵母菌培养液中的CO2产生情况。

橙色的重铬酸钾在酸性条件下与乙醇（酒精）发生化学反应，变成灰绿色，可用来检测乙醇的产生情况。

二、实验过程

1、酵母菌培养液的配制：目的是保证酵母菌在整个实验过程中正常生活。

两份：10g新鲜食用酵母菌＋240mL质量分数为5％的葡萄糖液。

2、检测CO2的产生

安装好实验装置：如下图

甲 乙

甲图用于检测有氧条件下CO2的产生；乙图用于检测无氧条件下CO2的产生。

装置甲设置左边第一个锥形瓶的目的是吸收通入空气中的CO2。

装置乙的B瓶应封口放置一段时间之后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，这样做的目的是是空气中残余的O2消耗尽。

甲、乙装置石灰水都变混浊，装置甲混浊快且程度高。

得出结论：酵母菌在有氧条件下产生的CO2比无氧条件下产生的CO2多。

3、检测酒精的产生

A试管中的酵母菌培养液滤液＋溶有重铬酸钾的浓硫酸溶液（混合均匀）：颜色不变。

B试管中的酵母菌培养液滤液＋溶有重铬酸钾的浓硫酸溶液（混合均匀）：颜色变灰绿色。

得出结论：酵母菌在有氧条件下不产生酒精，在无氧条件下产生酒精。

实验九 绿叶中色素的提取和分离

一、实验原理

剪碎叶片并加入二氧化硅研磨，目的是破坏叶表皮、细胞壁、细胞膜、液泡膜，使研磨充分。

叶绿体中的色素都能够溶解于有机溶剂如无水乙醇，可以用无水乙醇提取色素。加入碳酸钙可以防止色素被破坏。

绿叶中的各种色素都能溶解于层析液中，但在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。这样，各种色素会随层析液在滤纸上的扩散，因扩散速度不同而分离开。

二、实验步骤

①提取绿色叶片中的色素（研磨绿叶，同时加入二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇，过滤得到色素滤液）；②制备滤纸条；③画滤液细线；④利用层析液分离色素；⑤观察实验结果。

三、实验成功的关键：

①叶片要新鲜，颜色要深绿。②研磨要迅速、充分。③滤液收集后，要及时用棉塞将试管塞紧，以免滤液挥发。④滤液细线不仅细、直，而目含有比较多的色素(可以画二三次)。⑤滤纸上的滤液细线不能浸入层析液，否则色素会溶解在层析液中。

四、实验结果

滤纸条上色素带有四条，分别是(由上到下)

橙黄色的胡萝卜素；黄色的叶黄素；

蓝绿色的叶绿素a；黄绿色的叶绿素b。

胡萝卜素和叶黄素统称为类胡萝卜素，主要吸收蓝紫光。

叶绿素a和叶绿素b通常为叶绿素，主要吸收红光和蓝紫光。

说明：四种色素中，含量最多的是③叶绿素a，色素带最宽的也是③叶绿素a；含量最少(色素带最窄)的是①胡萝卜素，扩散速度最快的也是①胡萝卜素；扩散速度最慢的是④叶绿素b；相邻两条色素带之间距离最远的是①胡萝卜素和②叶黄素，最近的是③叶绿素a和④叶绿素b。

实验十 模拟探究细胞表面积与体积的关系（细胞大小与物质运输的关系）

一、实验原理

在相同时间内，物质扩散进细胞的体积与细胞的总体积之比可以反映细胞的物质运输效率。用含酚酞的不同大小的琼脂块模拟不同大小的细胞，酚酞与NaOH相遇，呈紫红色，以紫红色出现的深度，模拟物质扩散进细胞的快慢。

二、方法步骤

将琼脂块切成三种正方形——用NaOH浸泡10min——观察各块切面上NaOH的深度。

三、实验结论

琼脂块的表面积与体积之比随着琼脂块的增大而减少；NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积之比随着琼脂块的增大而减少。

四、相关知识

制约细胞体积的因素有三个方面：一是细胞的表面积与体积的关系是两者成反比，细胞体积越小，其相对表面积越大，细胞与周围环境交换物质的能力越大。二是细胞核与细胞质之间有一定的关系，一个细胞中二者体积之比一般为1/3，细胞核所含遗传信息有一定限度，对细胞活动的控制能力有一定限度。三是细胞内物质的交流受细胞体积制约，细胞体积过大，会影响物质流动速度，细胞内的生命活动就不能灵敏地控制和缓冲。

《生物》必修一知识归纳

（一）走近细胞

一、 比较原核与真核细胞（多样性）

原核细胞 真核细胞

细胞 较小（1—10um） 较大（10--100 um）

细胞核 无成形的细胞核，核物质集中在核区。无核膜，无核仁。DNA不和蛋白质结合 有成形的真正的细胞核。有核膜，有核仁。DNA不和蛋白质结合成染色体

细胞质 除核糖体外，无其他细胞器 有各种细胞器

细胞壁 有。但成分和真核不同，主要是肽聚糖 植物细胞、真菌细胞有，动物细胞无

代表 放线菌、细菌、蓝藻、支原体 真菌、植物、动物

二、生命系统的层次性

植：营养、保护、机械、输导 植：根、茎、叶

细胞组织分泌 器官 花、果、种

动：上皮、结缔、肌肉、神经 动：心、肝……

运动、循环

消化、呼吸病毒

系统（动） 个体 单细胞 种群群落

泌尿、生殖多细胞

神经、内分泌

非生物因素Ⅰ号

生态系统生产者 生物圈

生物因素消费者Ⅱ号

分解者

三、细胞学说内容（统一性）

○从人体的解剖和观察入手：维萨里、比夏

○显微镜下的重要发明：虎克、列文虎克

○理论思维和科学实验的结合：施来登、施旺

1． 细胞是一个有机体，一切动植物都由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成。

2． 细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。

3． 新细胞可以从老细胞中产生。

○在修正中前进：细胞通过分裂产生新的细胞。

注：现代生物学的三大基石

1.1838—1839年 细胞学说 2．1859年 达尔文 进化论 3.1866年 孟德尔 遗传学

四、结论

除病毒以外，细胞是生物体结构和功能的基本单位，也是地球上最基本的生命系统。

（二）组成细胞的分子

基本：C、H、O、N （90％）

大量：C、H、O、N、P、S、（97％）K、Ca、Mg

元素 微量：Fe、Mo、Zn、Cu、B、Mo等

（20种） 最基本：C，占干重的48.4%,生物大分子以碳链为骨架

物质 说明生物界与非生物界的统一性和差异性。

基础水：主要组成成分；一切生命活动离不开水

无机物 无机盐：对维持生物体的生命活动有重要作用

化合物 蛋白质：生命活动（或性状）的主要承担者／体现者

核酸：携带遗传信息

有机物 糖类：主要的能源物质

脂质：主要的储能物质

一、蛋白质 （占鲜重7－10％，干重50％）

结构 元素组成 C、H、O、N，有的还有P、S、Fe、Zn、Cu、B、Mn、I等

单体 氨基酸 （约20种，必需8种，非必需12种）

化学结构 由多个氨基酸分子脱水缩合而成，含有多个肽键的化合物，叫多肽。

多肽呈链状结构，叫肽链。一个蛋白质分子含有一条或几条肽链。

高级结构 多肽链形成不同的空间结构，分二、三、四级。

结构特点 由于组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列次序不同，于是肽链的空间结构千差万别，因此蛋白质分子的结构是极其多样的。

功能 ○蛋白质的结构多样性决定了它的特异性/功能多样性。

1． 构成细胞和生物体的重要物质：如细胞膜、染色体、肌肉中的蛋白质；

2． 有些蛋白质有催化作用：如各种酶；

3． 有些蛋白质有运输作用：如血红蛋白、载体蛋白；

4． 有些蛋白质有调节作用：如胰岛素、生长激素等；

5． 有些蛋白质有免疫作用：如抗体。

备注 ○连接两个氨基酸分子的键（—NH—CO—）叫肽键。

○各种蛋白质在结构上所具有的共同特点（通式）：

1． 每种氨基酸至少都含有一个氨基和一个羧基连同一碳原子上；

2． 各种氨基酸的区别在于R基的不同。

○ 变性（熟鸡蛋）＆盐析＆凝固（豆腐）

计算 ○由N个aa形成的一条肽链围成环状蛋白质时，产生水／肽键 N 个；

○N个aa形成一条肽链时，产生水／肽键 N－1 个；

○N个aa形成M条肽链时，产生水／肽键 N－M 个；

○N个aa形成M条肽链时，每个aa的平均分子量为α，那么由此形成的蛋白质

的分子量为 N×α－（N－M）×18 ；

二、核酸

一切生物的遗传物质，是遗传信息的载体，是生命活动的控制者。

元素组成 C、H、O、N、P等

分类 脱氧核糖核酸（DNA双链） 核糖核酸（RNA单链）

单体

成分 磷酸H3PO4

五碳糖 脱氧核糖 核糖

含氮

碱基 A、G、C、T A、G、C、U

功能 主要的遗传物质，编码、复制遗

传信息，并决定蛋白质的合成 将遗传信息从DNA传递给

蛋白质。

存在 主要存在于细胞核，少量在线粒

体和叶绿体中。甲基绿 主要存在于细胞质中。吡罗红

△ 每一个单体都以若干个相连的碳原子构成的碳链为基本骨架，由许多单体连接成多聚体。 三、糖类和脂质

元素 类别 存在 生理功能

糖类 C、H、O 单糖 核糖C5H10O5 主细胞质 核糖核酸的组成成分；

脱氧核糖C4H10O5 主细胞核 脱氧核糖核酸的组成成分；

六碳糖：葡萄糖

C6H12O6、果糖等 主细胞质 是生物体进行生命活动的重要能源物质（70％以上）；

二糖

C12H22O11 麦芽糖、蔗糖 植物

乳糖 动物

多糖 淀粉、纤维素 植物 （细胞壁的组成成分），

重要的储存能量的物质；

糖原（肝、肌） 动物

脂质 C、H、O

有的 还有N、P 脂肪 动、植物 储存能量、维持体温恒定；

类脂/磷脂 脑、豆 构成生物膜的重要成分；

固醇 胆固醇 动物 动物的重要成分；

性激素 促性器官发育和第二性征；

维生素D 促进钙、磷的吸收和利用；

△ 组成生物体的任何一种化合物都不能够单独地完成某一种生命活动，而只有按照一定的方式有机地组织起来，才能表现出细胞和生物体的生命现象。细胞就是这些物质最基本的结构形式。

四、鉴别实验

试剂 成分 实验现象 常用材料

蛋白质 双缩脲 A: 0.1g/mL NaOH 紫色 大豆

鸡蛋

B: 0.01g/mL CuSO4

脂肪 苏丹Ⅲ 橘黄色 花生

还原糖 班氏（加热） 砖红色沉淀 苹果、梨、白萝卜

淀粉 碘液 I2 蓝色 马铃薯

○具有还原性的糖：葡萄糖、麦芽糖、果糖

五、无机物

存在方式 生理作用

水

结合水4.5%

自由水95% 部分水和细胞中

其他物质结合。 细胞结构的组成成分。

绝大部分的水以

游离形式存在，可以自由流动。 1．细胞内的良好溶剂；

2．参与细胞内许多生物化学反应；

3．水是细胞生活的液态环境；

4．水的流动，把营养物质运送到细胞，并把废物运送到排泄器官或直接排出；

无机盐 多数以离子状态存，如K+、

Ca2+、Mg2+、Cl--、PO2+等 1．细胞内某些复杂化合物的重要组成部分，如Fe2+是血红蛋白的主要成分；

2．持生物体的生命活动，细胞的形态和功能；

3．维持细胞的渗透压和酸碱平衡；

六、小结

化合 有机组合分化

化学元素 化合物 原生质 细胞

○原生质 1．泛指细胞内的全部生命物质，但并不包括细胞内的所有物质，如细胞壁；

2．包括细胞膜、细胞质和细胞核三部分；其主要成分为核酸、蛋白质（和脂类）；

3．动物细胞可以看作一团原生质。

○细胞质 ： 指细胞中细胞膜以内、细胞核以外的全部原生质。

○原生质层：成熟的植物细胞的细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质，为一层半透膜。

(三)细胞的基本结构

细胞壁（植物特有）： 纤维素+果胶，支持和保护作用

成分：脂质（主磷脂）50%、蛋白质约40%、糖类2%-10%

细胞膜

作用：隔开细胞和环境；控制物质进出；细胞间信息交流；

真核基质： 有水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸和多种酶等

细胞细胞质 是活细胞进行新陈代谢的主要场所。

分工：线、内、高、核、溶、中、叶、液、

细胞器

协调配合：分泌蛋白的合成与分泌；生物膜系统

核膜：双层膜，分开核内物质和细胞质

核孔：实现核质之间频繁的物质交流和信息交流

细胞核核仁：与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关

染色质：由DNA和蛋白质组成，DNA是遗传信息的载体

一、 细胞器 差速离心：美国 克劳德

线粒体 叶绿体 高尔基体 内质网 液泡 核糖体 中心体

分布 动植物 植物 动植物 动植物 植物和某

些原生动物 动植物 动物低等植物

形态 椭球形、棒形 扁平的球形或椭球形 大小囊泡、扁平囊 网状 椭球形粒状小体

结构 双层膜，有少量DNA 单层膜，形成囊泡状和管状，内有腔 没有膜结构

嵴（TP酶复合体）、基粒、基质 基粒（类体）、基质（片层结构）、酶 外连细胞膜，内连核膜 液泡膜、细胞液 蛋白质、RNA、和酶 两个互相垂直的中心粒

功能 有氧呼吸的主场所 进行光合作用的场所 细胞分泌，

成细胞壁 提供合成、运输条件 贮存物质，调节内环境 蛋白质合成的场所 与有丝分裂有关

备注 在核仁

形成

△ 细胞器是指在细胞质中具有一定形态结构和执行一定生理功能的结构单位，

三、协调配合 分泌蛋白 放射性同位素示踪法：罗马尼亚 帕拉德

有机物、O2

叶绿体 线粒体

能量、CO2

基因调控 初步合成 加工 修饰

细胞核核糖体内质网 高尔基体 细胞膜 胞外

氨基酸肽链 一定空间结构

○生物膜系统：细胞器膜 + 细胞膜 + 核膜等形成的结构体系

四、细胞核= 核膜（双层） + 核仁 + 染色质 + 核液

美西螈实验、蝾螈横缢实验、变形虫实验、伞藻嫁接与移植实验

细胞核是遗传信息储存和复制的场所，是代谢活动和遗传特性的控制中心。

○ 染色质和染色体是同一物质在细胞周期不同阶段相互转变的形态结构。

DNA 螺旋

○ + = 核小体（串珠结构） 染色质30nm纤维

组蛋白非组蛋白

螺旋化

0.4um超螺旋管（圆筒形）2－10um染色单体（圆柱状、杆状）

二、树立观点(基本思想)

1.有一定的结构就必然有与之对应 功能的存在○结构和功能相统一 2．任何功能都需要一定的结构来完成

1．各种细胞器既有形态结构和功能上的差异，又相互联系，相互依存；

○分工合作

2．细胞的生物膜系统体现细胞各结构之间的协调配合。

○生物的整体性：整体大于各部分之和；只有在各部分组成一个整体的时才能体现出生命现象。

1．结构：细胞的各个部分是相互联系的。如分布在细胞质的内质网内连核膜，外接细胞膜。

2．功能：细胞的不同结构有不同的生理功能，但却是协调配合的。如分泌蛋白的合成与分泌。

3．调控：细胞核是代谢的调控中心。其DNA通过控制蛋白质类物质的合成调控生命活动。

4．与外界的关系上：每个细胞都要与相邻细胞、而与外界环境直接接触的细胞都要和外界环境进行物质交换和能量转换。

六、总结

细胞既是生物体结构的基本单位，也是生物体代谢和遗传的基本单位。

（四）细胞物质的运输

○科学家研究细胞膜结构的历程是从物质跨膜运输的现象开始的，分析成分是了解结构的基础，现象和功能又提供了探究结构的线索。人们在实验观察的基础上提出假说，又通过进一步的实验来修正假说，其中方法与技术的进步起到关键的作用

成分：磷脂和蛋白质和糖类

结构：单位膜（三明治）→ 流动镶嵌模型

细胞膜特性结构特点：具有相对的流动性

生理特性：选择透过性（对离子和小分子物质具选择性）

保护作用

功能 控制细胞内外物质交换

细胞识别、分泌、排泄、免疫等

87.2.1.1 氢同位素测量金属锌法

方法提要

氢同位素测量的金属锌法，采用金属锌作还原剂，把水中的氢转化为氢气，产生的氢气用气体质谱计进行氢同位素测试。

仪器设备

气体质谱计测量精度优于0.005%。

分析天平。

架盘天平。

恒温烘箱。

烧杯50mL、200mL。

可调变压器。

机械真空泵配套设备，极限真空10-1Pa。

油扩散泵配套设备，极限真空10-4Pa。

复合真空计Fzh型。

电热丝炉自制。

控温仪。

可控硅电压调节器。

电子交流稳压器。

琉璃实验装置(真空系统)1套，见图87.2。

电热板450mm×600mm。

探漏仪。

微量进样器10μL。

玛瑙碾钵。

图87.2玻璃真空系统示意

干燥器。

试剂与材料

去离子水。

高纯锌粒纯度99.999%。

线状氧化铜分析纯。

硝酸。

硫酸。

无水乙醇。

汽油。

真空油脂2号(耐温35℃)、4号(耐温135℃)。

真空硅脂750l。

玻璃丝套管。

铬镍加热丝。

二氧化硅(纯石英砂)。

液体氮。

钢瓶氢纯度99.999%。

冷冻剂由无水乙醇和液氮配制，沸点-78℃，现配现用。

活性炭粒状。

保温杯。

95料玻璃管。

石英玻璃管。

国际标准物质SLAP、GISP、V-SMOW水样。

工作标准GBW(E)-070016，GBW(E)-070017。

分析步骤

(1)准备工作

a.水样(和水标样)的准备

a)玻璃毛细管的制备。分别用自来水和去离子水清洗95料玻璃管，最后用无水乙醇清洗，吹干，在氧气-汽油火焰上拉成毛细管，毛细管的长度一般约60mm，一端用火焰封死。

b)水标样的称量。用天平称量检查水标样的质量是否与原封装前的质量一致，以确定该水标样是否发生同位素分馏及能否使用。

c)封样。在打开水标样和水样之前，先将水样均匀摇晃，等数分钟后，打开，用微量进样器吸取4～6μL水样装入制备好的毛细管中，仔细检查，当待封的一端不存在水珠时，用小火封死。

b.矿物包裹体及矿物和岩石样品处理。

a)对于纯净的矿物包裹体试样(粒径0.25～0.5mm)，以去离子水洗净，于105℃烘箱烘48h，取出放在干燥器内待用。

b)对于含有少量硫化物或硫酸盐等杂质的矿物包裹体试样，称取5～10g置于50mL烧杯中，加去离子水和(1+1)HNO3，在电热板上加热处理300～600min，以去掉硫化物和硫酸盐，用去离子水洗净，并于105℃烘箱内烘干，放入干燥器内备用。

c)对于纯净的矿物和岩石(不含硫化物)试样，先用玛瑙研钵碾磨至约200目，在105℃烘箱内烘干备用。对于片状矿物(如白云母)，粒径小于300mm即可。

d)对于含少量硫化物杂质的全岩试样，先用玛瑙研钵研磨至200目，称取1g，放入50mL烧杯中，加入去离子水和(1+1)HNO3，在电热板上加热30～60min，使硫化物溶掉，以去离子水洗净，105℃下烘干备用。

e)对于含少量硫化物杂质的沉积岩样品，如果是原岩最好用沉降法进行分离，取其上部不含硫化物的样品。

c.锌反应器的准备。

用过的锌反应器，先用(1+1)HNO3浸泡，溶去剩余的锌，倒去剩下的二氧化硅，用去离子水冲洗，再用无水乙醇清洗，最后在烘箱中低温烘干。在天平上称取金属锌和二氧化硅各20g，混匀，装入洗净的锌反应器中。

d.氧化铜石英管的准备。

氧化铜石英管用硫酸浸泡，去掉氧化铜薄膜，依次用去离子水和无水乙醇清洗，低温烘干。取氧化铜装入石英管中。

e.真空系统的准备。

用汽油和无水乙醇清洗玻璃真空活塞，用电吹风吹干后，按活塞在真空系统中的位置(即在分析中该部位的承受的温度)分别重新涂上4号、2号真空油脂或真空硅脂，确保真空活塞密封良好，塞芯转动自如。启动机械真空泵，系统在加热状态下抽真空，当复合真空计指示达到低真空后，启动油扩散泵对整个系统抽高真空，系统达到10-3Pa后，可以开始进行试样分析。

(2)试样分析

a.水样分析。

将装有水样的毛细管装入绕有加热丝的微量水进样器，接入试样制备装置(图87.2)的真空系统，抽真空至10-3Pa。转动微量水进样器，扭断毛细管，同时打开活塞V6、V7，用液氮冷冻冷阱T25min，并加热进样器使水全部转入T2。关闭活塞V7，交替冷冻和加热T2、T35min，使水与锌充分反应。打开活塞V8、V9，使碳管(已用液氮冷冻)与锌反应器连通，经7～10min后，记录热偶规管的真空度，关闭活塞V8，撤去碳管外的液氮，并使其升温。打开活塞V11，由水银压力计测量氢气的量，并由每微升标准水样的氢气产率监测水样的转换率，打开活塞V12，收集样气送质谱分析。

b.矿物包裹体样爆裂法分析。

按矿物包裹体含量资料，称取相当于含2～6μL水的试样(无含水量资料情况下，一般称取石英3～5g)，装入石英管中，接入系统。低温加热试样并抽真空至10-1Pa，以去除吸附水及次生包裹体中的水，加热温度根据矿物包裹体测温资料而定，无测温资料时，石英去气温度108～200℃，方解石去气温度110℃。当系统真空度达到10-3Pa时，升温至400～500℃(方解石热裂温度400℃，石英热裂温度500℃)，加热使包裹体爆裂，打开活塞V2、V3、V4，给冷阱T1套上液氮，此时由包裹体中释放出的水、氢气、碳氢化合物等经氧化铜氧化成水后冷冻于冷阱T1中。炸裂时间为30min。关闭活塞V4，打开V5，抽走废气。当真空抽至10-3Pa时，将V5转向T2套上液氮，打开V7，取下冷阱T1外的液氮，使水全部转入冷阱T2。以下同水样分析步骤。由氢气量可以算出包裹体中水的含量。

c.矿物和岩石试样熔融法分析。

按矿物和岩石含水量资料称取相当于含2～6μL水的试样，在无含水资料的情况下，估算矿物和全岩的含水量，如黏土矿物含水量高，称样量可少一些，一般矿物称取几十毫克至200mg全岩试样称几十至500mg，试样装入石英管(Ф=8mm)。低温加热去除吸附水，云母类、角闪石类矿物去气温度为120℃，全岩和其他矿物为110℃，并将试样抽真空至10-3Pa。加热熔样，熔样温度视不同矿物而定，黑云母、角闪石、全岩为1200℃，白云母1300℃。打开活塞V2、V3、V4，此时矿物不仅释放出水气，而且还有少量的H2、CO、CH4等气体。若试样为含亚铁的矿物，其部分羟基受热分解也会释放出氢气。这些气体经氧铜氧化成H2O和O2，用液氮冷冻于冷阱T1中。加热熔样时间为30min。撤去冷阱T1外的液氮，换上-78℃的冷冻剂，关闭活塞V4，打开V5抽走CO2和废气。当真空抽至10-3Pa时，将V5转向T2，给冷阱T2套上液氮，打开V7，取下冷阱T1外的冷冻剂，使水全部转放冷阱T2。以下同水样分析步骤。由氢气的量可以计算矿物结构水和全岩结晶水的含量。

d.同位素质谱测量。

同位素分析在气体质谱计上进行，分析采用双接收器同时收集1H+和2H+，通过待测试样和工作标准(或参考样气)轮流进样进行比较，由仪器计算机直接给出试样相对于工作标准(或参考样气)的δD值，并经校准为试样相对于国际标准物质SMOW的δD值。

由试样与标准物质(或参考气)不少于6次的比较测量数据，计算平均值并给出标准偏差。

(3)分析结果的表述和计算

氢同位素组成以其对标准样品中相应同位素比值的千分差表示，即:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中:下角标SA代表被测试样，ST代表标准样。

采用待测试样和工作标准与参考气比较进行测定时，先计算试样对工作标准的δD值，即:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中:下角标SA、ST意义同上，RE代表参考气。

试样对国际标准物质SMOW的δ值为:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

方法的重复性和再现性

由国内4个实验室采用本法(包括锌法和铀法)对2个国家二级氢同位素标准物质［GBW(E)070016和GBW(E)070017］进行定值分析的数据，按GB6379—86的方法计算本方法的重复性和再现性，见表87.5。

表87.5 本方法对氢同位素组成的测定的重复性和再现性

注:表中给出的是95%置信概率下的绝对差值。

87.2.1.2 氢同位素测量金属铬法

方法提要

金属铬的热稳定性好，还原性强，在高温(>800℃)下能与水进行快速反应生成氢气:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

将试样反应产生的氢气用气体质谱计进行氢同位素测试。20世纪末，Gehre首先用金属铬作还原剂，对水、含醇类(如乙醇、丁醇、辛醇)、烷类(丁烷)以及溶解在水中的葡萄糖等有机饮料进行了氢同位素分析，方法分析精密度高，重复性好，比用锌法、铀法等金属作还原剂有更大的优势。

仪器设备

MAT-252气体同位素质谱仪。

冷指。

石英反应器。

玻璃活塞。

玻璃油扩散泵。

真空机械泵。

真空烘箱。

热偶真空计。

电离真空计。

电离规管。

热耦规管。

小水浴杯。

加热炉。

真空样品管。

微量水进样器。

真空不锈钢保温杯。

数字直读温度计。

可调变压器。

试样制备装置(自行组装，图87.3)。

图87.3 微量水制备氢气的装置示意

图左侧为进样还原系统。图右侧为吸收取样系统。整个制样过程均在高真空状态下完成。该系统的低真空用旋片式机械泵获得，高真空则采用以机械泵为前级的玻璃油扩散泵获得。全系统的动态真空为2.0×10-3Pa，停止抽气24h后，系统静态真空保持在2.0～4.0Pa

试剂与材料

高纯铬粉。

去离子水。

盐酸。

钢瓶氢气。

硅胶垫。

加热带。

玻璃管。

粒状活性炭。

V-SMOW国际标准水。

GBW04401北大标准水。

GBW04402北大标准水。

GBW(E)070016中国地质科学院资源矿产研究所标准水。

GBW(E)070017中国地质科学院资源矿产研究所标准水。

QYTB中国地质科学院资源矿产研究所标准水。

ST-2中国科学院地质研究所标准水。

液氮。

真空油脂。

分析步骤

(1)氢气的制备与提取

对制样系统抽低真空，将铬反应炉加热并逐渐升温达到850℃。抽高真空，使系统真空达2.0×10-3Pa时便可以制备样品。

关闭V2、V3玻璃活塞，用微量注射器取1μL水样直接注入铬反应炉进行反应。关闭V4玻璃活塞，用液氮冷冻装有活性炭粒的样品管ST。5min后，用液氮冷冻冷指T，3min后打开V3玻璃活塞，将制备的氢气转移到装有活性炭粒的样品管中后，吸收3～5min，关闭V8玻璃活塞，取下样品管送质谱仪测试。

(2)质谱分析

制备好的氢气体在MAT-252质谱计上进行同位素分析，测定其D/H比值。

测量时使用质谱参考气为中国科学院地质与地球物理研究所的钢瓶氢气。

质谱计的测量精度为0.1‰。

(3)分析结果的表述和δD值计算

见87.2.1.1氢同位素测量金属锌法的分析结果的表述和计算。

也可以根据试样和工作标准相对参考气的测量结果直接计算出试样相对于国际标准物质SMOW的δD值:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

还可以根据δDST-RE值求出参考气相对国际标准的δDRE-SMOW值，将δDRE-SMOW值输入计算机，质谱测量时由计算机直接给出试样相对国际标准物质SMOW的δD值:

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方法的准确度

用金属铬法对国际标样(V-SMOW)和6种国内水标准物质ST-2、QTYB、GBW(E)04401、GBW(E)04402、GBW(E)070016、GBW(E)070017进行氢同位素组成的对比分析。在3次不同时间内完成制样，分3次在质谱计上测试，分析结果列于表87.6，表中测量值系连续测定结果，没有进行任何剔除。

对标准水样的氢同位素组成(δDV-SMOW)进行了标准偏差(s)统计，见表87.7。

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式中:s为标准偏差n为试验次数xi为测定值为平均值。

统计结果列于表87.6。

表87.6 金属铬法测定氢同位素标准物质分析结果

注:编号Ⅰ-1～Ⅰ-14测试时间为2004/05/29编号Ⅱ-1～Ⅱ-6测试时间为2004/05/31编号Ⅲ-1～Ⅲ-10测试时间为2004/06/04。

表87.7 标准水样的氢同位素分析结果与标准值对比及精密度统计

表87.7数据表明，金属铬法对7种标准水样δDV-SMOW的测量值与标准定值基本一致。

可以看出，用金属铬法分析的微量水样中的氢同位素组成精密度高，重现性好。就精密度而言，表87.7中测量值均系连续测定的结果，没有剔除任何样品，所有样品的δDV-SMOW值测量精密度均优于±2‰。

从上述研究结果不难看出，金属铬还原分析方法是一种将微量水样转变成氢气的分析技术。该分析方法不仅在微量水样的氢同位素分析技术中具有相当明显的优势，而且还能用来分析含醇类(如乙醇、丁醇、辛醇)、烷类(丁烷)以及溶解在水中的葡萄糖等有机饮料中的氢同位素组成(GehreM，etal.，1996)。金属铬还原分析方法相当简单，分析精密度高。该反应过程全部在玻璃系统中完成，这种还原反应系统还可容易地与气体质谱仪联机，具有精密度高(±2‰)、快捷(每个样品只要10min)等优点，能广泛地用于各类微量水和有机分子的氢同位素分析。

燃料乙醇，又叫生物乙醇，是指通过生物处理过程得到的乙醇。如今乙醇已有95%是生物乙醇，只有5%是由原油、天然气或煤炭生产的。目前，乙醇生产主要以淀粉类（粮食作物为主，如玉米、木薯等）和糖类（如甘蔗、甜菜等）作为发酵原料，采用微生物法发酵生产乙醇技术已成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮或与粮争地等弊端，因此寻找新的原料势在必行。

纤维素（cellulose）是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500×108t，其中蕴储着巨大的生物质能。我国每年作物秸秆（如稻草、麦秆等）的产量可达7×108t左右（相当于5×108t标煤）。纤维素是一种多糖物质，每个纤维素大分子是由n个葡萄糖残基（葡萄糖酐），彼此以1-4甙键（氧桥）联结而形成的。如图16.1所示。

图16.1 纤维素结构示意

纤维素在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。只有在催化剂的作用下，纤维素的水解反应才显著进行，常用的催化剂是无机酸或纤维素酶。纤维素酶在生物乙醇转化过程中起着非常重要的作用，可将纤维素、半纤维素水解成葡萄糖，为转化为乙醇提供丰富的底物；自然界中的酵母和少数细菌能够在厌氧条件下发酵葡萄糖生成乙醇。其中，纤维素酶水解方程式如下（牟晓红，2009）：

木霉生物学

利用纤维素酶将天然纤维素降解成葡萄糖的过程中，必须依靠纤维素酶的3种组分协同作用完成，即纤维素大分子首先在内切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.4，也称Cx酶、CMC酶、EG）和外切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.91，也称Cl酶、纤维二糖水解酶或CBH）的作用下降解成纤维二糖，再进一步在纤维二糖酶（EC3.2.1.21，也称β-葡萄糖苷酶或CB）作用下生成葡萄糖。

目前，国内外以植物纤维素为原料生产燃料乙醇的各种工艺中，主要有四种糖化发酵工艺，分别是分段糖化与发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和联合生物加工工艺（CBP）。SSCF工艺可以在同一发酵罐中同时进行纤维素酶水解和C5糖和C6糖的发酵，该工艺不仅有利于缓解葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，节省设备投资，还有利于发酵液中乙醇的积累，提高发酵液中最终的乙醇浓度，降低乙醇回收单元中乙醇蒸馏的能耗，大幅度降低生产成本。利用纤维素生产生物乙醇的同步糖化共发酵过程图如图16.2（Carlos Sáez，2000）。

许多微生物都会产生纤维素酶，但最适合于水解纤维素的酶来自于木霉。T.reesei是世界上研究和应用最广泛的纤维素酶工业微生物，它的优点在于它的酶系纤维素酶活性高并且能生产大量的胞外蛋白，它的酶系中60%以上的蛋白是外切酶（CBH），对于结晶性纤维素有很强的降解能力。

图16.2 纤维素原料生产乙醇示意

1998年，南京林业大学在黑龙江建成了完整的植物纤维生产燃料乙醇中试生产线，该生产线日处理农林植物纤维5t（日产乙醇0.8t）。风干植物纤维经蒸汽爆破预处理，纤维素酶制备所用菌株是T.reesei和酵母菌NL05，纤维素酶的制备在20m3的生物反应器中进行，T.reesei以汽喷料为碳源，在一定的搅拌速度和通风量下合成纤维素酶，完成一个产酶周期后酶液用于剩余汽喷料的水解。植物纤维的酶水解在2台32m3的反应器中进行，每天取汽喷料的10%用于纤维素酶的制备，产生的纤维素酶酶解剩余90%的汽喷料。酶解温度（50±1）℃、酶解初始 pH 值4.80。戊糖己糖同步乙醇发酵菌株是毕赤酵母NL02，酶水解液的乙醇发酵在一台5m3的发酵罐中进行。植物纤维汽喷料在纤维素酶的作用下降解成单糖后，经过压滤和洗涤得到一定浓度的水解糖液，水解糖液中的戊糖和己糖被酵母在限制性供氧条件下同步发酵成乙醇。

美国能源部与诺维信合作，投资3000万美元进行纤维素水解酶的开发，研究将玉米秸酶解成糖，再发酵制乙醇；还与DOE合作建设年处理玉米秸200t、生产燃料乙醇6900gal的中试装置，其生产技术分以下几步：先将玉米秸粉碎，用1.1%硫酸预处理；然后加木霉纤维素酶糖化36 h，使纤维素90%转化成葡萄糖；将糖浆冷却至41℃，连续发酵得到浓度为7.5%的乙醇；经蒸馏分子筛吸附脱水，生成99.5%乙醇，废渣经干燥用作燃料。

另外，Stevenson等（2002）报道了利用木霉直接发酵纤维素生产乙醇的方法，这更扩展了木霉发酵生产乙醇的途径。他们从牛粪中分离到一株木霉菌A10，该菌株在厌氧条件下可以将纤维素或者糖类物质直接转化为乙醇，在纤维素含量为50g/L的MM培养基中厌氧培养，乙醇产量为0.4mg/L，通过优化培养条件，采取分阶段预培养和深层厌氧培养后乙醇产量可达2g/L，以葡萄糖作为碳源乙醇产量最高可达5g/L，但以木糖作为碳源，乙醇产量最低。

① ②防止水槽中的水因倒吸流入蒸馏烧瓶中 ③研细并混合均匀 ④出现黑色固体 ⑤防止甲酸铜晶体析出 ⑥洗去晶体表面的水和其它杂质