2010届高考化学同位素示踪法基本原理和特点

第一篇：2010届高考化学同位素示踪法基本原理和特点

同位素示踪法基本原理和特点

同位素示踪法（isotopic tracer method）是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。Hevesy于1923年首先用天然放射性212Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。同位素示踪法基本原理和特点

同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点： 1.灵敏度高

放射性示踪法可测到10-14－10-18克水平，即可以从1015个非放射性原子中检出一个放射性原子。它比目前较敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-12克水平。2.方法简便

放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到非破坏性分析，随着液体闪烁计数的发展，14C和3H等发射软β射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。3.定位定量准确

放射性同位素示踪法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变,与某些形态学技术相结合（如病理组织切片技术，电子显微镜技术等），可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。4.符合生理条件

在放射性同位素实验中，所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的重量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。放射性同位素示踪法的优点如上所述，但也存在一些缺陷，如从事放射性同位素工作的人员要受一定的专门训练，要具备相应的安全防护措施和条件，在目前个别元素（如氧、氮等）还没有合适的放射性同位素等等。在作示踪实验时，还必须注意到示踪剂的同位素效应和放射效应问题。所谓同位素效应是指放射性同位素（或是稳定性同位素）与相应的普通元素之间存在着化学性质上的微小差异所引起的个别性质上的明显区别，对于轻元素而言，同位素效应比较严重。因为同位素之间的质量判别是倍增的，如3H质量是1H的三倍，2H是1H的两倍，当用氚水（3H2O）作示踪剂时，它在普通H2O中的含量不能过大，否则会使水的物理常数、对细胞膜的渗透及细胞质粘性等都会发生改变。但在一般的示踪实验中，由同位素效应引起的误差，常在实验误差内，可忽略不计。放射性同位素释放的射线利于追踪测量，但射线对生物体的作用达到一定剂量时，会改变机体的生理状态，这就是放射性同位素的辐射效应，因此放射性同位素的用量应小于安全剂量，严格控制在生物机体所能允许的范围之内，以免实验对象受辐射损伤，而得错误的结果。

用探究的方式学习《乙酸的性质》

元素化合物知识的学习是一种以了解、掌握化学事实为目的的学习，有条理地将事实呈现，让学生通过实验现象，感受事实，是一种学习方式。在这个过程中，若能以学生为主体，老师为主导，实验和设问为载体，讨论为方式组织教学，能更大限度地挖掘学生的内在潜力，充分地调动学生的积极性，有利于培养学生的创造性，同时，还能把单调的、枯燥的课堂气氛活跃，把繁琐、难记的元素化合物知识趣味化、科学化，这是一种研究型、探索型教学。“乙酸的性质”属于元素化合物课，我在设计这个课的时候，以探索为中心，包括“乙酸的分子式探索、乙酸的结构探索、酯化反应过程的探索”三个探索环环相扣、层层推进。在整个教学设计中，突出以学生充分参与，尽量让学生充分讨论、思考、归纳，发挥学生的能动性。

依据我校学生认识水平和《乙酸》一节教材内容,我把教学策略选择侧重放在培养学生能力上,而通过问题情景创设,是实现目标的最好途径。为了集中时间让学生充分讨论，酯化反应的实验和实验有关问题的讨论放在下一课时。

一、设计实验情景和借用球棍模型，引导学生对乙酸分子组成及其结构的探索。

新课开始，教师首先拿出了一瓶未开封的食醋，让三位同学分别做以下三个实验：食醋+紫色石蕊，食醋+Na2CO3溶液，食醋+Ag(NH3)+溶液，并记录实验现象。通过创设这样的实验情景，让学生一开始就产生了兴趣，激发学生去积极思考现象的为什么。紧接着，告诉学生以下信息：经元素分析得知：食醋中有效有机成分的分子式为C2H4O2，依有机物结构理论，试写出它非环的可能的结构，并结合上述实验现象分析得出这种有机物的结构是哪一种。经过两次的情景创设，让学生自己分析出正确的结论，点燃了学生探究思维的火花。课题提出来以后，让学生自己动手组装乙酸分子的球棍模型，并对分子结构中最多共面原子数进行正确的认识，分析出乙酸分子结构中所有的共价键，为下面的教学作铺垫。

二、设计问题情景，激发思维，引导学生对酯化反应过程的探索。

本节课的重点内容是乙酸的酯化反应,教师先在黑板上书写出下列方程式：

这时学生并不知道它是酯化反应,更没有去深入思考过它的实质是取代反应,老师也暂时不提示涉及这个内容,而是设置了下面的问题情景:H2O是由—H和—OH结合，那—H、—OH分别来自哪里，请你作出你的假设，并设计实验以证明你的结论的合理性。让学生充分讨论、分析、争辩后，收集学生大多数的假设如下：（1）H来自于乙酸中—OH，其解释是因为乙酸显酸性电离出H+，类似的结论和解释还有一些：反应过程中加入紫色石蕊试液，不变红色，说明—OH来自于乙酸，反之OH来自于乙醇；上述反应完成后，加入Na2CO3水溶液，有气泡产生，则H来自于乙酸，反之H来自于乙醇的羟基（此时，马上有观察仔细的学生反驳，反应是可逆反应，并且，此反应有浓H2SO4作催化剂，无论乙酸是脱—H还是脱—OH，反应体系中的有关物质均可使紫色食蕊显红色或使Na2CO3水溶液产生气泡），显然，所有这些假设均是来自于刚刚讲过的知识乙酸显酸性的干扰。（2）H来自乙醇中的羟基，但提不出验证假设的实验方法。（3）出乎教师的意料之外的是有学生提出：无论OH是来自于乙酸，还是来自于乙醇；也无论H是来自于乙酸中OH的H，还是来自于乙醇中OH的H，由于乙酸中的C—O单键、O—H单键的键能不同，断开这些共价键所需要的能量就不同，因而伴随着这个反应能量变化也就不同，如果我们通过一个实验精确测定出整个体系的温度变化值ΔT与理论值（数据可从手册中查出）相近，即可知道上述反应的过程。这类学生真正懂得了化学反应中伴随着的体系能量变化。此时，学生探究思维的火花完全燃烧起来，因势利导及时指导学生去阅读课本的同位素标记法（示踪原子法），科学的事实否定了刚才的推测，这是一次科学思维方法教育的深化，在此基础上，指导学生去理解酯化反应的过程，同时对同位素标记法进行拓展：此反应过程的证明能否通过标记乙酸中的其它两个氧原子或标记乙醇中氧原子来实现；标记C原子，H原子其结论又是如何呢？最后，依据结构决定性质原理，简单地总结出乙酸中其它共价键的断裂和相应的有机反应类型。

附： 《乙酸的性质》（第一课时）教学设计（教学过程部分）

［学生实验］ 食醋＋紫色石蕊试液，食醋＋Na2CO3溶液

［设问］ 食醋中主要有机成份的分子式为C2H4O2试写出它非环的可能结构？

［回答］ ① ② ③ ④，其中①、④不可能，因为醇羟基、醛基-COOH均无酸性，对于②、③可设计实验：食醋＋银氨溶液来检验食醋中是否存在醛基。［演示实验］ 食醋＋银氨溶液（无银镜，否定③）

［设问］ 如何证明食醋中主要有机成份的结构是哪一种呢？（全班讨论）［引入］-OH与>C=O组成羧基（-COOH）,含有-COOH的化合物称为羧酸。

［设问］ 乙酸的物理性质（联系家里做菜用食醋，学生回忆气味、沸点、水溶性）［学生活动］ 自己组装球棍模型,找出最多共面原子个数,分析分子结构中各共价键。［讲解］ 乙酸的酸性，弱酸CH3COOH＞H2C0,断共价键O-H键（通过实验现象学生得出）。［练习］ 1moL 最多能与多少摩尔的Na或Na2CO3溶液反应？ ［讲解］ 酯化反应（实质是取代反应）

［设问］ 方程式中的H2O是如何产生的呢？（-H与-OH结合）

［设问］-H与-OH又是如何产生的呢？也就是说上述反应是如何断键的呢？（两种可能：（1）CH3COOH脱-OH和C2H5OH脱-H,(2)CH3COOH脱-H和C2H5OH脱-OH）［设问］ 设计一个实验，用实验事实证明上述两种假设的正确与否。

［讨论］ 学生讨论约15min，教师收集学生设计，并加以表扬、质疑、分析或解释。［阅读］ 课本P149第二自然段。

［讲解］ 同位素标记法除了18O标记外，还有C、H等同位素标记法，14C经常用于有机物分子结构的测定和考古科学；而H的同位素可应用于生命科学中的DNA序列分析。［设问］ 上述酯化反应能用C、H同位素标记法证明反应过程吗？如能，应该标记哪个C、哪个H呢？如不能请说明理由，（学生讨论作答）

［设问］ 书上是标记C2H5OH中的O，能否标记CH3COOH中的O，两个O都行吗？（学生回答）

［总结］ 反应过程不是根据化学方程式来推断的而是以实验事实为依据的，以同位素来作为示踪原子（同位素标记法）来进行实验，是现代科学中一种比较先进的科学方法。

［设问］ 依据结构决定性质理论，试分析乙酸分子结构中其它的共价键能否断裂？并分析发生什么反应？

（学生讨论、引导学生将旧知识迁移）。