從海帶中提取碘的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與改革

蓋利剛 姜海輝 馬萬勇

(山東輕工業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250353)

碘是動(dòng)植物和人體的必需微量元素，也是制備無機(jī)和有機(jī)碘化物的基本原料。雖然海水中碘含量甚低，但海帶、海藻等一些海洋植物具有選擇性吸收和富集碘的能力[1]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[2]，海帶中碘含量一般在0.3%以上，最高可達(dá)0.7%～0.9%；我國海帶碘含量多數(shù)在0.5%左右。由于海帶價(jià)廉易得，可作為實(shí)驗(yàn)室提取碘的原料[1-5]。

從海帶中提取碘是大學(xué)化學(xué)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的常見實(shí)驗(yàn)。以海帶為原料提取碘，主要有灰化法、發(fā)酵法和浸出吸附法[6]。發(fā)酵法和浸出吸附法很容易將海帶中的有機(jī)物(如甘露醇等)引入海帶提取液中，給后續(xù)碘的提取，特別是采用有機(jī)溶劑萃取分離獲碘[1-3]增加難度。灰化法是實(shí)驗(yàn)室從海帶中提取碘所廣泛采用的方法[1-5]。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)流程的差別，灰化法提取碘又包括加熱升華[4-5]和溶劑萃取兩條路線[1-3](圖1)。

加熱升華法能直觀地看到紫色的碘蒸氣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯；但凝華在試管或燒瓶底部的碘單質(zhì)很難收集，故用此法難以計(jì)算海帶中碘的百分含量。有機(jī)溶劑萃取法能夠從碘的水溶液中富集和分離碘，但如何將碘單質(zhì)和有機(jī)溶劑分離開來，是該方法難以解決的問題。利用碘遇淀粉變藍(lán)只能用于含I2溶液的定性分析，采用氧化還原滴定雖能對含I2溶液進(jìn)行定量分析，但收集不到單質(zhì)碘。周令芬[1]采用NaNO2氧化、CCl4萃取法得到碘的CCl4溶液，再加入NaOH水溶液使碘歧化轉(zhuǎn)入水溶液，將含碘水溶液分離、酸化、冷凍干燥得到了單質(zhì)碘；但文獻(xiàn)[6]沒有給出從定量海帶中提取的單質(zhì)碘的質(zhì)量，而且NaNO2氧化法能生成NO(NO在空氣中進(jìn)一步被氧化成NO2(有毒))，冷凍干燥實(shí)驗(yàn)周期長，不適合在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣。

圖1 灰化法從海帶中提取碘的實(shí)驗(yàn)路線

本實(shí)驗(yàn)對上述從海帶中提取碘的實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)中融入綠色化學(xué)理念，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：(1)用海帶堿溶法代替海帶灰化法，既可以將海帶中的碘有效地轉(zhuǎn)移至水溶液中，又避免了海帶灰化過程所造成的空氣污染和能量消耗。(2)以雙氧水為氧化劑，采用電位滴定法控制I-的氧化程度，可避免生成I2的過氧化。(3)以沸點(diǎn)低、極性小的無水乙醚為萃取劑，既可以避免富集I2過程中混入極性有機(jī)物(如甘露醇等)，又可以使I2和萃取劑有效分離；得到的I2收率較高、可用差量法稱量。(4)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既包含萃取、減壓分離和氧化還原滴定等基本操作，又涉及酸度計(jì)、電位滴定儀和分光光度計(jì)的使用，體現(xiàn)了化學(xué)分析和儀器分析的有機(jī)結(jié)合。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 認(rèn)識從植物中提取化學(xué)品的價(jià)值和意義，了解單質(zhì)碘的用途。

(2) 熟悉碘離子、碘酸根和單質(zhì)碘的化學(xué)反應(yīng)和單質(zhì)碘的測定方法。

(3) 熟悉萃取、減壓蒸餾和氧化還原滴定等基本操作。

(4) 學(xué)習(xí)酸度計(jì)、電位滴定儀和分光光度計(jì)的使用。

2 實(shí)驗(yàn)原理

(1) 海帶中的碘主要以堿金屬碘化物[4]和有機(jī)碘化物[7]形式存在。加入堿溶液將海帶中的有機(jī)碘轉(zhuǎn)化為堿金屬碘化物，以提高海帶中I-向水溶液的轉(zhuǎn)移程度。調(diào)溶液至指定pH，將含I-水溶液氧化、析碘；再用無水乙醚萃取、干燥、減壓分離，得單質(zhì)碘。

(2) 電位滴定氧化析碘。向酸化的I-的水溶液中滴加一定濃度的雙氧水，在滴定過程中監(jiān)測指示電極的電位變化，根據(jù)反應(yīng)生成I2的物質(zhì)的量的變化所引起的電極電位突躍，來確定滴定終點(diǎn)。

雙氧水氧化析碘反應(yīng)如式(Ⅰ)，生成I2的過氧化反應(yīng)如式(Ⅱ)。

H2O2+2H++2I-=I2+2H2O

(Ⅰ)

5H2O2+I2=2HIO3+4H2O

(Ⅱ)

(3)分光光度法確定碘含量[8]。采用紫外-可見分光光度計(jì)，于200～800nm范圍內(nèi)測量I2的水溶液的吸收光譜，確定最佳吸收波長為460nm；再于460nm處測定提取I2的水溶液的吸光值。根據(jù)Lambert-Beer定律確定所提取的碘的質(zhì)量。

(4) 碘量法確定碘含量[2]。用1～3mmol/L標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉溶液滴定含I2水溶液，滴至溶液呈淡黃色時(shí)，加入3mL 0.4%的淀粉溶液，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好消失，記錄所滴加的硫代硫酸鈉溶液的體積。做用該標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉溶液滴定新鮮蒸餾水的空白實(shí)驗(yàn)。根據(jù)反應(yīng)式(Ⅲ)計(jì)算所提取的碘的質(zhì)量。

(Ⅲ)

3 材料、試劑與儀器

3.1 材料和試劑

無水碳酸鈉、濃鹽酸、濃硫酸、30%過氧化氫、無水乙醚、無水硫酸鎂、硫代硫酸鈉、重鉻酸鉀和可溶性淀粉，以上試劑均為分析純；市售干海帶。

3.2 儀器

HJ-3恒溫磁力攪拌器(江蘇金壇市中大儀器廠)，PHS-2F型數(shù)字pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，501型氧化還原復(fù)合電極(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，TU-1810型紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)。

4 實(shí)驗(yàn)要求

(1) 實(shí)驗(yàn)方案制定。根據(jù)所提供的材料、試劑和儀器，自行查閱相關(guān)文獻(xiàn)，分小組制定實(shí)驗(yàn)方案。指導(dǎo)教師組織學(xué)生集中討論，并對各小組制定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行點(diǎn)評。

(2) 熟悉與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置、儀器的安裝及使用。指導(dǎo)教師給學(xué)生演示相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置、儀器的安裝及使用，并指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)正確安裝和使用相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置和儀器。

(3) 按論文格式要求撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5 思考與設(shè)計(jì)

思考、回答以下問題，并完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

(1) 堿溶法煮泡海帶與不加堿或海帶灰化法相比有何優(yōu)點(diǎn)？

(3) 根據(jù)Nerst方程(式Ⅳ)，H2O2/H2O電對的電極電勢與雙氧水濃度以及溶液的pH有關(guān)。請?jiān)O(shè)計(jì)雙氧水濃度與海帶浸出液酸化的正交實(shí)驗(yàn)，確定最佳實(shí)驗(yàn)條件，并完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集表包括如下內(nèi)容：干海帶樣品序號、質(zhì)量，浸出液酸化后pH，滴定前后電位變化情況，電位突躍時(shí)所用雙氧水的體積，溶液顏色，吸光度(λ=460nm)，氧化析碘后溶液中I2的質(zhì)量。

(Ⅳ)

(4) 如何確定溶液中的I-全部轉(zhuǎn)化成I2，而且生成的I2沒有進(jìn)一步被氧化？請?jiān)O(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案。

(5) 本實(shí)驗(yàn)為什么采用無水乙醚作萃取劑？文獻(xiàn)中報(bào)道的以四氯化碳為萃取劑在本實(shí)驗(yàn)中是否可行？為什么？

(6) 如何回收減壓分離過程中的無水乙醚？請畫出可行的實(shí)驗(yàn)裝置簡圖。

(7) 如何確定差量法所提取的I2的純度？完成以下數(shù)據(jù)采集：干海帶樣品序號、質(zhì)量，氧化析碘后溶液中I2的質(zhì)量，乙醚萃取后差量法所得I2的質(zhì)量，萃取效率(η=((A0-Ar)/A0)×100%)，A0和Ar分別為萃取前和萃取后水溶液的吸光度)，以及提取I2的純度檢驗(yàn)(分別用碘量法和分光光度法完成)。

6 教學(xué)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1) 通過調(diào)研文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)、討論、修改方案，開展實(shí)驗(yàn)以及撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識，并體現(xiàn)教學(xué)與科研的相互促進(jìn)。

(2) 思考與設(shè)計(jì)的內(nèi)容貫穿實(shí)驗(yàn)的全過程，涉及無機(jī)及分析化學(xué)(鹵素、氧化還原反應(yīng)與滴定、化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu))、有機(jī)化學(xué)(萃取、減壓蒸餾)和儀器分析(紫外-可見分光光譜法、電位分析法)課程的內(nèi)容，知識點(diǎn)分布廣，有利于提高學(xué)生分析和解決問題的能力。這種“問題化”教學(xué)方式，易激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使學(xué)生積極參與，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體[9]。

(3) 將綠色化學(xué)理念融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的環(huán)保意識。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周令芬.海南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997,15(3):236

[2] 崔克宇,劉少春,王悅,等.吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(4):38

[3] 譚志安,花蓓,施巧芳,等.泰州職業(yè)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2002,2(1):29

[4] 胡小莉,李原芳,凌莉莎,等.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,32(5):168

[5] 李春梅,審玉雙,賈密英,等.中國現(xiàn)代教育裝備,2007(6):53

[6] 王京剛,馮麗娟,相湛昌,等.無機(jī)鹽工業(yè),2008,40(11):11

[7] 遲玉森,莊桂東,韓榮偉,等.海鹽湖與化工,2005,34(6):12

[8] 陳玉峰,冉廣芬,馬海州,等.2006,14(2):42

[9] 劉震,梁靚,竇鵬,等.大學(xué)化學(xué),2010,25(1):54