疫情下線上化學實驗和探究與實作課程: 探究大豆脲酶的催化作用Ⅰ-尿素的分解與檢測 /廖旭茂

星期六 , 10, 12 月 2022 Leave a comment

疫情下線上化學實驗和探究與實作課程:

探究大豆脲酶的催化作用Ⅰ-尿素的分解與檢測 

廖旭茂

台中市市立大甲高中

教育部化學學科中心
nacl880626@hotmail.com

 

     n  前言

 進入交流道下的加油站加油時,站內常見到寫著『加尿素』三個大字的看板,心裡納悶:為什麼柴油車要添加肥料呢?原來柴油車引擎與一般的汽機車的噴射引擎不同,廢氣排放中,以氮氧化物NOx的占比較高,是空汙主要元兇,因此目前歐洲六期環保多以選擇性催化還原法(SCR, Selective Catalytic Reduction)來減少氮氧化物的排放。然而選擇性催化還原法與一般汽機車所使用的三元觸媒轉化器不同,它需要在排氣管中段進入處,噴入尿素水溶液,尿素在高溫時會分解出NH3,然後NH3與廢氣中的NOX反應生成無害的氮氣與水(”Selective catalytic reduction”, 2021)。近日韓國、日本等多個國家因疫情、貨運塞港等因素,無法從外國進口足夠量的尿素,進而影響到貨、卡車的交通,以及建築業重機械的操作使用,差點癱瘓該國的經濟運作(中央社,2021),尿素的重要性可見一般。下圖為尿素在引擎中的運作示意圖。

圖1:尿素在柴油引擎中的角色與作用 (修改自Moiras et al., 2017

    尿素除了在空汙的防治上作出貢獻外,其實其主要用途在是農業上的使用,作為主要的氮肥,大幅提供農作物的生產力,解決人類的糧食問題。進入土壤中的尿素,可被其中的酵素-脲酶(urease,所分解,產生氨氣與二氧化碳,高溶解度的氨即可成為植物合成蛋白質的氮源;室溫下,1莫耳的尿素在尿酶的催化下,可分解釋出2莫耳的氨氣與1莫耳的二氧化碳;脲酶是水解酶的一種,除土壤外,廣泛存在於細菌(幽門螺旋桿菌)、真菌、藻類、豆科植物、及哺乳類動物的腸胃道內(Lorenc, 2008)。下圖是來自產氣克雷伯氏菌Klebsiella aerogenes尿酶的3D分子結構圖。

圖2:尿酶的3D結構 ”UREASE“, 2021

完整的教學活動分為初階的定性調察與進階的定量探究兩個部分;初階的活動進行以腦內風暴-演示實驗來引發學生的學習動機作為開始;進入正式課題,首先調查蝶豆花萃取液在不同酸鹼環境中的顏色變化;接著認識尿素溶液的性質、以蝶豆花液驗證尿素受大豆萃取液-尿酶催化作用的發生、對比大豆萃取液煮沸與否對催化反應的不同、比較不同豆類萃取液對催化反應的差異;進階的活動則引導學生正確使用手機結合色彩APP,紀錄調查尿素催化分解反應過程中NH3的釋出,造成溶液鹼性提高,蝶豆花因而變色的過程,進一步探究催化分解的變因與機制(洪宇宸、紀庭芯,2021)。

本探究活動以學生受疫情影響,在家進行實驗探究為前提而設計;多利用家用常見的物品與材料來將探討尿素受尿酶(urease)催化的分解作用,比如利用可分解的蝶豆花、薑黃粉或紫色高麗菜作為指示劑,偵測分解的產物-氨氣的存在;利用小調色盤取代易脆裂的試管、燒杯等容器;以藥妝店可拿到的針筒取代安全吸球、吸量管或量筒,作為定量取樣的實驗工具;使用智慧型手機及色碼APP,取代分光比色的昂貴儀器;實踐在家也可以進行定性又定量的科學探究,在不確定因素瀰漫的疫情時代裡,學生的學習不致中斷。

      n  腦內風暴:教學演示-如何檢驗尿素在高溫分解的產物氨氣? 

    取一個電熱瓶模組(廖旭茂,2020),安裝固定好後,秤取約5公克的尿素倒入電熱瓶中,接著秤取2公克的氧化銅粉末置入NH3偵測玻璃管中,最後量取澄清石灰水15毫升加入吸收瓶中。模組裝置固定好後。下圖為反應示意圖。

圖3:尿素在高溫柴油引擎中的角色與作用

開始以變壓器的紅、黑鱷魚夾接通加熱瓶兩個扣環,引燃酒精燈,開始加熱、反應。觀察電熱瓶、偵測玻璃管中的氧化銅粉末及吸收瓶是否發生變化?5分鐘後,停止加熱,稍後打開電熱瓶,以廣用試紙靠近瓶口,觀察試紙的顏色是否發生變化?此時以手揮動瓶口,是否嗅聞到特殊的氣味,這氣味像什麼?請將相關現象觀察,以文字填入下表中。



我的實驗觀察


文字敘述


電熱瓶的變化:


NH3檢測玻璃管的變化


吸收瓶的變化

表1:教學演示觀察紀錄表

     n  藥品與器材

1.藥品:生大豆2.0克/組(加入20毫升的水,打成豆漿)、購自加油站的AdBlue尿素30毫升/組(若購買不易,可以蒸餾水、尿素自行調配32.5%的尿素溶液)、蝶豆花試液(乾蝶豆花20克溶於80 毫升熱水中,浸泡1小時,以濾紙過濾。可分裝全班8組使用)、薑黃試液(超市購置薑黃粉10克溶於90 毫升的藥用酒精中,攪拌均勻後,浸泡30分鐘,以濾紙過濾。可分裝全班8組使用)、檸檬酸 (Citric acid, C6H8O7)、碳酸氫鈉 (NaHCO3)、食鹽(NaCl)。

2.器材:咖啡豆打豆機(果菜汁機)、咖啡用濾紙1包、果菜汁機、調色盤2個/組、針筒(1、2.5、10、30毫升各2支)、塑膠滴管(3毫升,僅適用實驗室版本)3支、果醬瓶數個(約30毫升)。

   n  活動步驟

ㄧ、調查不同酸鹼環境下蝶豆花等指示劑的顏色變化:利用酸鹼指示劑來偵測尿素催化分解反應的產物

1.取一個7格花朵型的調色盤甲,以簽字筆順時針標上A、B、C、D、E、F,中心孔為O。在中間一排E, O, B三孔中。隨後以1毫升針筒吸取RO逆滲透水於三孔中各加入1毫升的RO水,接著再以1毫升針筒吸取蝶豆花溶液0.1毫升,分別注入於三孔中。

2.分別於E、O、B孔中各加入1小匙的小蘇打粉、食鹽、檸檬酸,觀察三孔溶液的顏色變化為何?下圖為調色盤編號與指示劑的顏色變化。

圖4:圖左調色盤的編號,圖右為蝶豆花在鹼性、中性、酸性中的顏色

3.承上,將蝶豆花液換成薑黃試液,則盤色盤中E、O、B三孔中,顏色的變化為何?

二、尿素溶液有尿騷味嗎?尿素溶液性質的調查

1.自行配置好的32.5 %尿素(或購自加油站),外觀是甚麼顏色?有尿騷味嗎?

2.尿素溶液是酸性,中性還是鹼性?取花朵型調色盤乙,於中心O孔加入1毫升的尿素溶液,隨後於上述的相鄰兩孔中各加入蝶豆花液0.1毫升,觀察兩孔顏色的差異,並與調色盤甲相比較。

3.跟網路查詢尿素相關資料相比較,市售的尿素溶液的酸鹼性與網路資料有何不同?

4.調色盤洗淨後,備用。

   三、尿素在常溫下可以被分解嗎?利用脲酶催化尿素分解,並以蝶豆花液偵測產物的存在。

1.以小型電子秤秤取事先秤取50克的大豆,以咖啡打豆機打成粉末,再加入500毫升的溫水浸泡30分鐘,接著以濾布過濾,備用。取出一半的豆漿,分成八組,每組30 毫升。

2.以一支針筒各吸取1毫升的尿素溶液,分別注入調色盤中心的O孔與中心孔左側的E孔穴中;接著再以另一支針筒需取各0.1毫升的蝶豆花液加入上述O、E兩孔中。使用過的針筒立即以RO水反覆清洗乾淨,備用。

3.隨後以針筒吸取0.1毫升的RO水滴入中心O孔穴中,另一支針筒吸取大豆萃取液(生豆漿)0.1毫升滴入E孔溶液中;另觀察O、E兩孔溶液的顏色變化。下圖為O、E兩孔溶液的顏色的比較。

圖5:添加生豆漿與否,蝶豆花液顏色的比較

四、煮沸會影響催化效果嗎?利用指示劑調查生、熟豆漿的催化效果差異

1.取另一半大豆萃取液(生豆漿),加熱煮滾約5分鐘成(熟豆漿),冷卻後,將熟豆漿分成八組,請同學比較生、熟豆漿的外觀、氣味的差異。

2.以1毫升的針筒各吸取1毫升的中性的尿素溶液,注入調色盤中心O孔右邊的的B孔穴中,再以針筒需取0.1毫升的蝶豆花液作為指示劑;隨後以針筒各吸取熟豆漿0.1毫升滴入B孔中,觀察蝶豆花液的顏色變化。

3.比較生、熟豆漿催化的效果化?並說明高溫煮沸對酵素活動的影響。下圖為實驗結果。

圖6:中心恐為空白實驗,左孔為生豆漿,右孔為煮熟豆漿。

五、只有黃豆含有脲酶酵素可以催化尿素分解嗎?

1.以另1毫升的針筒分別吸取1毫升的中性的尿素溶液,注入調色盤乙的O、A、C、E四孔穴中;再以針筒需取各0.1毫升的蝶豆花液加入上述O、A、C、E四孔中。

2.隨後以1毫升的針筒分別吸取綠豆、皇帝豆、黃豆三種的萃取液0.1毫升加入A、C、E三孔中。靜置三分鐘觀察這兩種豆類是否可以分解尿素。下圖為實驗結果。

圖7:中心孔為空白實驗,A、C、E順時針分別為黃豆、綠豆、以及皇帝豆

    n  紀錄與觀察

1.利用蝶豆花等指示劑製備酸鹼指示劑,調查不同酸鹼環境下蝶豆花指示劑的顏色,請根據E, O, B三孔溶液的顏色,說明蝶豆花等指示劑在不同酸鹼值下溶液的顏色。並將結果填入下表中。



E(小蘇打)


O(食鹽)


B(檸檬酸)


蝶豆花試液


薑黃試液

2.新鮮配置尿素溶液的性質調查


外觀顏色


氣味


蝶豆花液顏色變化

根據實驗結果顯示:尿素溶液的酸鹼值________7 (填入>, =, <)

3.調查比較生豆漿與煮熟豆漿的催化效果:大豆萃取液煮沸與否,溶液的顏色。


生豆漿


熟豆漿


對照組


顏色

       根據實驗結果顯示:兩者的酵素活性大小:_______________ >  _____________

4.調查不同豆類對尿素水解反應催化速率的差異

靜置3分鐘後,比較三種溶液的顏色是否有所差異,並將結果填入下表中。


黃豆


綠豆仁


皇帝豆


顏色

   根據實驗結果顯示:哪一種豆類的催化最好?______________________

    n  問題與討論

一、請寫出尿素催化分解的反應方程式

二、觀察指示劑的變色,蝶豆花液與薑黃液,哪一種較適合?

三、用目視來判斷反應速率的快慢,有何優缺點?說說您的觀察。有沒有更好的方法?

四、請同學利用老師提供的關鍵字「脲酶」(urease)進行網路搜尋,其分子結構、性質,以及在生物體內主要作用的對象,以及產物、相關用途。

五、生物體內的酵素百百種,酵素的催化作用與溫度、酸鹼值、主基質的量有很大的關連。請同學針對其中一變因規劃實驗步驟,探討變因對脲酶催化尿素速率的影響?

   n  原理與概念

  尿素經加熱達152時,會分解產生氨氣NH3與異氰酸HN=C=O,異氰酸與水蒸氣會繼續反應成氨氣NH3與二氧化碳CO2。其反應式如下(Bernhard et al., 2013):

(NH2 )2CO  NH3+ HNCO   —-式1

HNCO+ H2O NH3+CO2    —-式2

  而氨氣會還原引擎燃燒排放的氮氧化物廢氣NOx反應生成氮氣N2。其反應式如下:

2NH3+3NO 52N2+3H2O    —-式3

4NH3+3NO2 72N2+6H2O   —-式4

在教學演示實驗中,尿素受熱分解產生氨氣,氨氣與NH3偵測玻璃管中黑色的氧化銅CuO發生氧化還原反應,生成紅棕色的銅Cu與氮氣N2,其反應式如下:

2NH3+3CuO  N2+3H2O+3Cu   —-式5

而尿素在常溫下,受脲酶催化反解的反應生成氨氣NH3與二氧化碳CO2,其反應式如下:

(NH2 )2CO+H2O  UREASE  2NH3+ CO2

  n  安全注意及廢棄物處理

1.塑膠針筒,針頭會有刺傷安全問題,要提醒學生妥善保

2.所有實驗後的廢液,依規定回收處理。

3.示範實驗利用小酒精燈來加熱,有翻覆發生火災的風險,可利用雙面膠帶黏著在穩固的墊板或桌面上,以策安全。

   n  教師教學提示與建議

1.塑膠針筒、調色盤、大豆等器材可購自藥局、連鎖五金行與超市等。

2.教學演示實驗時,銅棒可預先塗佈一層耐熱矽膠薄層,然後插入盛有氧化銅粉末的樣本罐讓黑色的氧化銅粉附著於銅棒上。實驗後取出可重複使用。

3.教學演示實驗時,所有的玻璃管、電熱瓶必須事先烘乾,避免管壁的水滴吸收氨氣,而影響氧化銅的還原變色效果。玻璃管可以鋁箔紙包覆保溫。

4.生豆漿需要完全煮沸煮滾5~10分鐘,酵素的活性才會消失。否則一段時間後,蝶豆花液亦可變色。

   n  參考資料

1.Selective catalytic reduction. (2021). In Wikipedia. Retrieved Dec 25, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Selective_catalytic_reduction

2.中國加強管制尿素出口 衝擊韓國物流業(2021)。中央社網站。民國110年1月30日,取自:https://www.cna.com.tw/news/firstnews/202111050349.aspx

3.Moiras, S., Papapostolou, C., Ktenidis, P., & Kaldellis, J. (2017). NOx emission reduction in marine diesel engines. 2nd International Conference on Energy, Environment and Economics. At: Edinburgh, Scotland.

4.Lorenc, A. (2008). Investigating the action of urease. Science in School, 9, 39–44. Retrieved from https://www.scienceinschool.org/article/2008/urease/

5.Urease. (2021). In Wikipedia. Retrieved Dec 28, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Urease

6.洪宇宸、紀庭芯(2021)。微酵行動。教育部綠色化學教育網。取自2021得獎作品‧https://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/6036343c-e1e6-488d-80ef-c7cc45979168

7.廖旭茂(2020)。綠色創客-3:微型電熱式蒸餾器的設計與製作。台灣化學教育電子期刊,期40,2021年11月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263

8.Bernhard, A. M., Peitz, D., Elsener, M., Schildhauer, T., & Kröcher. O. (2013). Catalytic urea hydrolysis in the selective catalytic reduction of NOx: catalyst screening and kinetics on anatase TiO2 and ZrO2. Catalysis Science & Technology, 3(4), 821–1152. Retrieved Dec 20, 2021 from https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2013/cy/c2cy20668d

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