數(shù)字化實驗探究抗酸藥的抗酸能力

倪嘉舟 詹奕霏 張婷

摘要：抗酸藥可以中和過多的胃酸，達到緩解胃疼痛的效果，不同抗酸藥的抗酸能力決定了患者每次服用抗酸藥的劑量。本研究利用數(shù)字化實驗快速測定抗酸藥的抗酸能力，從化學反應原理角度來認識抗酸藥的作用機制。

關鍵詞：抗酸藥;抗酸能力;數(shù)字化實驗

文章編號：1008-0546（2019）06-0088-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.025

《普通高中化學課程標準（2017年版）》更新了教學內(nèi)容，在選修課程部分設立了STSE綜合實驗，其中建議圍繞生命健康問題開展綜合實驗項目，給出的參考案例中有一個實驗為“抑酸劑抗酸容量的探究”，我們查閱文獻發(fā)現(xiàn)，抑酸劑和抗酸劑雖然都是用來治療胃酸過多的藥物，但其作用機理并不相同，抑酸劑的目的是抑制胃酸分泌，與抗酸容量的概念并不匹配，因此筆者展開了對抗酸藥的相關研究。

抗酸藥是一類能中和過多胃酸的弱堿性物質(zhì)，此類藥物可使胃液pH升至3-5，降低胃蛋白酶分解胃壁蛋白的能力，降低了胃酸對胃及十二指腸潰瘍面的刺激作用，發(fā)揮緩解疼痛和促進愈合的作用乜。不同抗酸藥的抗酸能力和副作用差異明顯，因此認識抗酸藥在發(fā)揮療效時所遵循的化學原理，有利于更好地選擇和使用抗酸藥。

一、問題提出

抗酸藥種類很多，常見的有碳酸氫鈉片、氫氧化鋁片、鋁碳酸鎂片（達喜）等，我們在藥物說明書上發(fā)現(xiàn)它們的服用劑量和次數(shù)有差異（表1）：

不同抗酸藥，每片的質(zhì)量不同，所含有效成分不同，那么它們的療效就不同。每片抗酸藥能中和多少胃酸呢？我們首先進行了理論分析。

2.實驗儀器

威尼爾數(shù)據(jù)采集器（LabQuest2），pH傳感器，滴數(shù)傳感器，研缽，電子天平，稱量紙，藥匙，量筒（100mL），小燒杯（100mL），磁力攪拌器，磁子。

3.實驗藥品

本實驗不同于抗酸藥行業(yè)檢測標準方法，選擇了0.2mol/L的鹽酸，主要考慮以下因素：

（1）胃內(nèi)消化食物前后pH保持在0.9-1.3左右，因此由公式pH=-lg c（H+）得到pH=0.9時，胃酸濃度為0.0501mol/L，pH=1_3時，胃酸濃度為0.1259mol/L。

（2）抗酸藥行業(yè)檢測標準方法中，采用0.1mol/L的鹽酸反應1h，耗酸量大于260mL，因此操作復雜，耗時長，反應過程需要不斷加酸液，不適用于課堂教學和學生實踐，因此適當提高酸濃度可以簡化實驗操作，提高效率，讓學生有更好的實踐體驗。

（3）實驗用100mL的燒杯作為反應容器，可以保證藥物懸濁液保持均勻，若酸量過多則會導致液體溢出，換用大燒杯會使攪拌變得困難，同時由于pH滴定的終點并非突變，因此大量水的加入也會影響pH的測定。

①組裝實驗儀器：將pH傳感器、滴數(shù)傳感器分別與數(shù)據(jù)采集器相連（如圖1所示），打開軟件，界面中會自動跳出以體積值為橫坐標，pH值為縱坐標的數(shù)據(jù)采集圖表。

②取一片碳酸氫鈉片，用研缽研磨至粉狀，稱取質(zhì)量后，放入盛有20mL水溶液的小燒杯中。

③取45mL左右0.2mol/L HCl于滴定管中，將磁子放入燒杯中，打開磁力攪拌器，將轉(zhuǎn)速調(diào)為“7”檔，點擊“開始”按鈕，緩慢旋開滴定管活塞，使液滴以1秒1滴的速度滴入燒杯中。

④待pH降低至3以下后，停止數(shù)據(jù)采集。

⑤保存實驗數(shù)據(jù)并記錄。

⑥按照上述步驟測定其它抗酸藥樣品。

四、實驗結(jié)果與分析

由數(shù)據(jù)采集器自動生成的實驗圖像分別為圖2至圖4，經(jīng)記錄、匯總和計算所得實驗數(shù)據(jù)見表4。

實驗發(fā)現(xiàn)，抗酸能力：碳酸氫鈉>鋁碳酸鎂>氫氧化鋁，由此可以解釋為何每次服用氫氧化鋁片的劑量要多于碳酸氫鈉片和鋁碳酸鎂片。筆者認為，這與物質(zhì)在水溶液中的電離有關，氫氧化鋁在水中的溶解度小，又是弱電解質(zhì)，因此即使反應過程中使用了攪拌器，控制鹽酸滴速為1秒1滴，在pH降到3時，燒杯底部仍有較多沉淀沒有完全反應。為了驗證猜測，筆者將鹽酸滴入速度分別改為5秒/滴、10秒/滴，實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5，實驗發(fā)現(xiàn)，當鹽酸的滴速變慢時，測得氫氧化鋁片的耗酸量增大，抗酸能力也增大。

由理論計算所得的耗酸量是物質(zhì)的絕對耗酸量，而由滴定實驗測得的抗酸能力是物質(zhì)的相對耗酸量，兩者結(jié)果不一致，是由于物質(zhì)在水溶液中的電離程度不同。氫氧化鋁是難溶的弱電解質(zhì)，在水溶液中電離出的OH較少，每次加入的酸只會中和部分電離出的OH，促使氫氧化鋁繼續(xù)緩慢電離，但由于電離出OH的速度沒有滴加酸的速度快，因此pH在下降至呈酸性時仍有大量的氫氧化鋁沉淀未電離、未來得及參與反應。

此外，筆者發(fā)現(xiàn)在用鹽酸滴定鋁碳酸鎂的過程中，滴加2mL左右鹽酸時，該抗酸藥水溶液pH就迅速降低至3-4，繼續(xù)滴加鹽酸，pH-直維持在該范圍，變化不大，直到滴加20mL鹽酸后，才降低到pH<3。這很好地解釋了鋁碳酸鎂（達喜）使用說明書上的“藥理作用”：本品有明顯抗酸作用，其作用迅速、溫和、持久。

理想抗酸藥應符合條件：①具有較快的中和速度和較長的作用時間;②應控制胃液pH值為3-5，因為pH值過高，會引起胃酸反彈。傳統(tǒng)的抗酸藥如碳酸氫鈉、氫氧化鋁、硅酸鎂等，雖然能減輕癥狀，但都具有一定的不良反應：碳酸氫鈉在中和胃酸時所產(chǎn)生的二氧化碳可能引起腹脹，胃潰瘍患者慎用，還可能引起繼發(fā)性胃酸分泌增加、堿中毒;氫氧化鋁反應后的A13+會引起便秘，鎂鹽會引起腹瀉。隨著人們的不斷研究，抗酸藥已經(jīng)逐漸從單一的化合物轉(zhuǎn)為鋁鎂復合物，以提高抗酸效果并減少副作用，鋁碳酸鎂就是人們研發(fā)出的新型抗酸藥，其結(jié)構是層狀的（見圖5），一方面可以保持性質(zhì)穩(wěn)定不變質(zhì)，另一方面由于表面積大，抗酸作用優(yōu)良，是一種較為理想的抗酸藥。

五、總結(jié)

該實驗作為新課標中的推薦實驗，貼近生活，能夠激發(fā)學生的研究興趣。實驗時間短，操作簡單，數(shù)據(jù)清晰，通過實驗探究，可以較好地理解抗酸藥的作用機制，利用圖像和數(shù)據(jù)的比較，了解不同抗酸藥的作用效果，對生活中抗酸藥的選擇有指導作用。

本實驗利用數(shù)字化實驗快速、準確地測定了常見抗酸藥的抗酸能力，得到以下結(jié)論：

（1）實驗測定的抗酸藥的抗酸能力與理論分析的抗酸藥的絕對耗酸量不同。本次實驗測定的三種抗酸藥中，碳酸氫鈉片和鋁碳酸鎂片的抗酸能力較強，而氫氧化鋁片的抗酸能力弱很多，筆者猜測是由于氫氧化鋁是難溶的弱電解質(zhì)，電離出的OH較少。通過改變鹽酸滴速進行的對比實驗，證實了筆者的猜測。

（2）鋁碳酸鎂作為新型的抗酸藥物，具有良好的抗酸效果。通過鹽酸滴定鋁碳酸鎂的曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，鋁碳酸鎂與酸反應迅速并且持久，相比較于傳統(tǒng)抗酸藥的無定形結(jié)構（抗酸效果不穩(wěn)定），其層狀式的晶型結(jié)構使其具備優(yōu)良的抗酸效果。同時，單一的抗酸藥不良反應較多，最常見的為鋁鹽引起的便秘與鎂鹽引起的腹瀉，合理配制成的鎂鋁復方制劑可揚長避短。

我們之前習慣用“物質(zhì)的結(jié)構決定物質(zhì)的性質(zhì)”來解釋物質(zhì)的特性，但在實際的生產(chǎn)過程中，科學家們往往是利用所期待的物質(zhì)性質(zhì)來創(chuàng)造其特殊的結(jié)構，我們由衷欽佩充滿智慧的化學工作者們，能夠根據(jù)需要、利用知識研發(fā)出神奇的化學物質(zhì)來造福人類與社會！