在《趣味化學》這本書中,保羅叔叔在與少年對話中提到牛奶也含有碳元素。李慧香對這點有點困惑,李大壯決定帶着女兒做相關實驗來驗證及拓展她視野,但他覺得在家裡做太危險,於是他發揮自己從事試劑儀器行業的優勢找到一客戶的化學實驗室,自己備齊試劑及新鮮雞蛋、新鮮純牛奶樣品後選擇週末時間帶着女兒過去做實驗。
在客戶的化學實驗室裡,李大壯開始指導女兒做實驗。
第一個實驗是驗證牛奶中含有碳元素。
在李大壯的關注下,李慧香首先將一個泥三角架套住酒精燈,然後將少量牛奶倒在一個潔淨的蒸發皿裡,接着將它放在泥三角架上,最後點燃酒精燈。她一邊用玻璃棒攪拌,一邊觀察現象,不一會,牛奶先是凝固然後再碳化。此時,她用燈帽將酒精燈蓋滅,火焰熄滅後她揭開燈帽再重蓋一次,接着她用坩堝鉗將蒸發皿移到石棉墊上,然後她再往蒸發皿裡倒入蒸餾水後發覺碳化了的牛奶不能溶解。
等女兒做完實驗後,李大壯就對女兒說:“牛奶中將近90%是水,其餘10%的主要成分是蛋白質、脂肪,加熱時水不斷蒸發直到水蒸發完後,牛奶開始凝固起來,而凝固物主要成分是蛋白質與脂肪,它們都含有碳、氫、氧這三種元素,此時繼續加熱,凝固物就會出現碳化現象。碳化後的牛奶已產生變性而不能再被水溶解。”
李慧香在父親講解完實驗後,她終於知道牛奶中確實有碳元素,但她還是有疑問:“爸爸,我有二個疑問:第一個問題是如何證明牛奶中含有蛋白質?至於牛奶中含有脂肪就不用證明了,因爲我在超市見過有全脂牛奶及脫脂牛奶賣;第二個問題是蛋白質只是凝固而不碳化可否繼續溶於水呢?”
李大壯很高興,女兒能提出問題,他繼續指導女兒做實驗。
第二個實驗是驗證牛奶中含有蛋白質。
李慧香在父親指點下,往潔淨試管裡倒入10ml上下的牛奶,接着她用潔淨量筒量取雙縮脲試劑A 3ml,並將它倒入到牛奶中,然後她手握着試管左右擺動,待試管內溶液振盪均勻後,她又用膠頭滴管吸2滴雙縮脲試劑B加到牛奶中,加完後她繼續左右擺動試管,不一會牛奶變成了紫色。
待女兒做完實驗後,李大壯進行解釋:“雙縮脲試劑A是0.1g/ml的氫氧化鈉水溶液,雙縮脲試劑B是0.01g/ml的硫酸銅水溶液。牛奶中加入雙縮脲試劑A是調節PH值,人爲製造鹼性環境,在鹼性環境條件下加入的雙縮脲試劑B,雙縮脲試劑B中的硫酸銅的Cu^2+與蛋白質的肽鍵絡合成紫色的絡合物。”李慧香聽完父親的解釋後又學懂了二點知識:其一牛奶中含有蛋白質;其二可用雙縮脲試劑鑑定待測樣品中是否含有蛋白質。
李慧香覺得好玩繼續做一次蛋白質的鑑定。
她在雞蛋殼上打個小孔讓雞蛋清流入潔淨小燒杯中,然後再加入雙縮脲試劑後發覺溶液不僅變紫色而且比剛纔牛奶樣品的顏色要深,於是她推斷出雞蛋清不僅含有蛋白質且含量要比牛奶高。她的結論得到父親肯定,高興得跳起來,但李大壯認爲她表述不夠嚴謹,“雞蛋清不僅含有蛋白質且含量要比牛奶高”應表述爲:雞蛋清不僅含有蛋白質且其濃度要比牛奶高。
李慧香越做越上癮,她在父親指導下繼續做實驗。
第四個實驗是蛋白質鹽析實驗。
李慧香在雞蛋殼上打個小孔讓雞蛋清流入潔淨小燒杯中,然後加入100ml蒸餾水,再用玻璃棒輕輕攪動一下,接着用鋪有5、6層紗布的漏斗過濾雞蛋清溶液,最後得到100ml許的雞蛋清(蛋白質)水溶液。
在父親建議下,李慧香先取少量蛋白質水溶液通過雙縮脲試劑來鑑定溶液是水溶性蛋白質溶液後,再在父親指點下開始製備飽和(NH4)2SO4溶液。
她先向潔淨小燒杯中加80ml蒸餾水,再加入少量硫酸銨粉末,然後用玻璃棒不斷攪拌使之溶解,隨後她邊攪拌邊逐漸加入硫酸銨粉末,直到有少量粉末不能溶解後停止添加,此時她停止攪拌。待硫酸銨溶液靜置一會後,李慧香將硫酸銨溶液的上層透明溶液倒入小試劑瓶裡,然後再往試劑瓶里加少量硫酸銨粉末,飽和硫酸銨水溶液就大功告成了。
李慧香配製好飽和硫酸銨水溶液後就開始做鹽析實驗,她將5ml左右的雞蛋清(蛋白質)水溶液倒入到潔淨試管中,然後逐滴加入飽和硫酸銨水溶液,當加至4ml左右時,她看到蛋白質水溶液中明顯有絮狀物析出後就停止加入飽和硫酸銨水溶液。李大壯等女兒觀察完後又指揮她往試管中加入大約6ml蒸餾水,一會他女兒發現那絮狀物又溶解了,雞蛋清(蛋白質)水溶液又變成透明溶液了。
此時李大壯不急着解答女兒問的第二個問題,他繼續指導女兒做另一個實驗——蛋白質變性實驗。
李慧香將10ml左右的雞蛋清(蛋白質)水溶液倒入到規格爲25mm*100mm的潔淨試管中,然後她用試管夾夾住試管放在酒精燈上加熱,不一會她看到蛋白質凝結後停止加熱,接着她將凝結了的蛋白質倒進一潔淨小燒杯中,最後她往裡加蒸餾水時發現凝結了的蛋白質不再溶解。
李慧香做完蛋白質加熱實驗後在父親指導下做最後一個實驗,也是蛋白質變性實驗,只不過路徑不同。
李慧香同樣將5ml左右的雞蛋清(蛋白質)水溶液倒入到潔淨的試管中,然後她開始加入0.5%的醋酸鉛溶液數滴後,試管中的蛋白質出現凝結現象,此時她往試管中加入蒸餾水後發現凝結了的蛋白質不再溶解。
李慧香做完全部實驗後,李大壯開始解答她的第二個問題“蛋白質只是凝固而不碳化可否繼續溶於水”,他娓娓道來:“蛋白質水溶液中加入飽和硫酸銨水溶液後,因硫酸銨是強電解質,在水中溶解度又大,一方面它與蛋白質爭奪水分子,破壞蛋白質膠體顆粒表面的水膜;另一方面又大量中和蛋白質膠體顆粒上的電荷,從而隨着硫酸銨濃度増大,蛋白質溶解度會降低而產生析出現象,但沉澱物如你實驗見到那樣可溶於水,硫酸銨水溶液這種對蛋白質的作用叫鹽析,當然鹽析是可逆的。另外無論你是給蛋白質加熱還是加入醋酸鉛溶液,結果是蛋白質凝結了不再溶於水,你加熱蛋白質時只是讓它凝結但無碳化,實驗結果已回答了你的問題,這種現象叫變性。變性了的蛋白質是不可能再溶於水的,因蛋白質受到物理因素(如加熱)或化學因素(如醋酸鉛類重金屬鹽溶液)作用下,蛋白質會失去生理活性,其分子內部的結構和性質發生改變而導致凝結現象出現,這種改變是不可逆的,即蛋白質凝結後再不能在水中重新溶解,這種現象在化學上叫蛋白質的變性。”
李慧香聽完父親的解釋後,高高興興地說:“爸爸,我聽明白了!化學實驗、物理實驗太好玩了。”
李大壯嗆了下女兒:“乖乖,僅僅是覺得化學實驗、物理實驗好玩?”
李慧香翹起嘴巴說:“我覺得好玩是指好奇,對實驗中出現的物理、化學現象覺得新奇但一時難以明白其中的奧秘。”
李大壯回了句:“人不是一口吃成胖子的,學習是漸進的過程,隨着你逐漸長大,你學識越來越豐富,你會越來越懂世間萬物的真諦!但物理、化學是實驗科學,要描寫物理、化學規律,要用到數學工具,所以學好物理、化學的前提是數學要好。”
李慧香自豪地說:“我對數學很有信心,爸爸就不要擔心了。”