定量審視中學化學中有關海水的系列問題

韓竹海

蘇教版化學1（必修）專題2的標題是從海水中獲得的化學物質，涉及從海水中獲取NaCl，從海水中提取Mg等知識內容。學生從中認識了Cl、Br、I三種非金屬和Na、Mg兩種金屬，并學習了氧化還原反應和離子反應兩個基本概念。海水作為實實在在的物質，教師有必要引導學生從定量的角度審視海水，從而激發部分學生開發利用海洋資源的志趣。下面，筆者談談在這方面的一些思考，供大家參考。

1.海水中有哪些物質？各物質有多少？

海水的化學成分比較復雜，有水和溶解于水中的物質包括氣體，迄今已發現這些混合物中所含的化學元素達80多種。每升海水超過100 mg的元素稱為常量元素，最主要的常量元素有Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B 和 F共11種，約占化學元素總含量的99.8%～99.9%，因而也稱主要元素，其他的元素含量很低，稱作微量元素，有些極低的又稱痕量元素，如金、銀、鎘等。盡管有些元素的含量很低，但是，由于海水的總量很多，因此，某些元素的總儲量并不低，如海水中碘的總儲量達8×1010t，可見，浩瀚的大海是一個巨大的藏寶地。溶解于海水中的化學元素絕大多數是以鹽類離子的形式存在的，海水中幾種主要離子的濃度（g/kg）見表1：

3.粗鹽提純中的鋇試劑可以選用Ba（OH）2嗎？

粗鹽提純即除去Ca2+、Mg2+、SO2-4三種雜質離子的過程，為了保證每種雜質離子被除盡，加入的沉淀劑（Na2CO3、NaOH、BaCl2）須過量，又為了把沉淀劑帶進來的新的雜質離子除去，還要考慮沉淀劑的加入順序，所以，BaCl2一定要在Na2CO3之前加入，至于NaOH的加入順序則沒有要求，故3種沉淀劑的加入有3種順序，而不是6種。三步得到的沉淀可以最后一起過濾除去。有學生提出不妨將NaOH、BaCl2二合一，即選用Ba（OH）2以一頂兩，起到一舉兩得的功效，一起將Mg2+、SO2-4兩種離子除去。乍一看，沒有什么問題，多數教師包括一些教學參考書上也認同這種作法。這樣做究竟好不好呢？

還是假設取1 kg海水將水完全蒸發，由表1知道，得到的固體中Mg2+ 1.28 g、SO2-4 2.66 g，計算可得，Mg2+ 0.0533 mol、SO2-4 0.0277 mol，如果選用NaOH、BaCl2作為沉淀劑，消耗的NaOH、BaCl2分別是0.1066 mol、0.0277 mol，而用Ba（OH）2作為沉淀劑需消耗0.0533 mol，但是，SO2-4只需要消耗Ba2+ 0.0277 mol，有0.0256 mol Ba2+剩余，那么，后續就要增加消耗0.0256 mol的Na2CO3。可見，選用Ba（OH）2作為沉淀劑并沒有討巧。假如粗鹽中Mg2+、SO2-4物質的量相等，那么選用Ba（OH）2作為沉淀劑可以同時將它們除盡，無需過多增加Na2CO3的用量。當然，這其中也涉及原料的價格因素，所以，實際生產中沒有采用Ba（OH）2來替代NaOH和BaCl2。

4.從海水中提取鎂，如何確定每一步的工藝？

海水中鎂的總儲量約為1.8×1015t，目前世界上生產的鎂超過60%來自于海洋中。海水中鎂均以離子形式存在，儲量大、濃度小，那么如何將Mg2+從海水中分離出來？或者說轉化為哪種沉淀再分離呢？

從表4可以看出，Mg（OH）2的溶解度很小，因此沉淀更完全而且沉淀的顆粒更大，過濾分離也更完全。那么是不是直接向海水中加堿呢？加什么堿呢？由表1知道海水中Mg2+濃度約為1.29 g/L，又知工業苦鹵的濃度約為56 g/L，因而，可以配制0.05 mol/L、2.0 mol/L的MgCl2模擬海水和苦鹵。可以完成表5中2組實驗。

實驗1直接往模擬海水中加沉淀劑，肉眼看不到白色沉淀，所以，不能直接往海水中加沉淀劑，應將海水先濃縮以提高海水中Mg2+的濃度。實驗1和實驗2中往模擬鹵水中加堿，均產生明顯的沉淀，考慮到Ca（OH）2價格便宜（見表6）而且Ca（OH）2可以由海邊的貝殼中制得，故選擇Ca（OH）2作為沉淀劑，為了使得沉淀充分，加入石灰乳沉淀效果更好。

從學生設計的方案中可以看出，學生知道活潑金屬單質的制備采用電解法，那么，工業生產中為什么不電解MgO呢？事實上方案2的步驟少，要簡便多了。因為電解的前提是電離，固體加熱到熔融狀態才可以電離，MgO的熔點比MgCl2高得多（見表7），所以，實際生產中為了降低電解的難度，還是寧愿步驟繁一點，采用方案1。

當學生自覺地引用數據來“說理”，進行研究性的學習，真正的學習也就發生了，化學作為一門基礎性的自然學科承擔著這樣的學習使命！

（收稿日期：2014-12-10）