資源簡介

教學(xué)設(shè)計
課程基本信息
學(xué)科 化學(xué) 年級 高一 學(xué)期 秋季
課題 溴和碘的提取
教科書 書 名：滬科版教材 必修 第一冊 出版社：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
教學(xué)目標(biāo)
1. 歸納溴和碘提取的過程和原理，并書寫相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的離子方程式。 2. 分析溴和碘提取過程的差異，認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)對化工生產(chǎn)的指導(dǎo)意義 。 3. 構(gòu)建綜合利用海洋資源的一般方法。認(rèn)識化學(xué)原理和技術(shù)在自然資源開發(fā)利用方面的促進作用，能夠正確處理資源開發(fā)和環(huán)境保護的關(guān)系。
教學(xué)重難點
教學(xué)重點： 從海洋中進行溴的提取的一般方法和主要步驟。 從海洋中進行碘的提取的一般方法和主要步驟。 教學(xué)難點： 1. 歸納溴和碘提取的主要原理和過程的共性與差異。
2. 構(gòu)建綜合利用海洋資源的一般方法。
教學(xué)過程
環(huán)節(jié)一：課堂引入——生活中的溴和碘 在生活生產(chǎn)中，你知道哪些物質(zhì)含有溴、碘元素嗎？某些阻燃劑、殺蟲劑、消毒劑、抗生素、鎮(zhèn)靜劑等含有溴元素；碘是人體所必須的微量元素，其構(gòu)成的甲狀腺激素能夠影響大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，因此碘也被稱為智力元素，一些含碘的物質(zhì)在生物醫(yī)藥行業(yè)廣泛使用，例如碘伏、X射線造影劑等。溴和碘在生活中應(yīng)用如此廣泛，工業(yè)上是如何制備溴和碘的呢？ 環(huán)節(jié)二：物質(zhì)制備的一般步驟——回顧氯堿工業(yè) 前面我們學(xué)過了氯堿工業(yè)，同學(xué)們已經(jīng)知道工業(yè)上制備物質(zhì)往往需要經(jīng)過原料的選擇、預(yù)處理、轉(zhuǎn)化及提純等步驟。氯堿工業(yè)中，以海水為原料，通過預(yù)處理得到飽和食鹽水，電解后通過精制得到純度更高的氫氧化鈉。提取溴和碘的原料是什么呢？原料需經(jīng)過怎樣的預(yù)處理，又怎樣轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品呢？最后如何提純得到純凈的溴和碘呢？ 環(huán)節(jié)三：溴和碘的提取工藝 一、選擇原料 思考選擇原料時遵循的原則 選擇原料是物質(zhì)制備的關(guān)鍵點之一，選擇時應(yīng)當(dāng)遵循哪些原則呢？首先原料中應(yīng)包含產(chǎn)品中所有的組成元素，其次在進行原料選擇時，需滿足在自然界中儲量豐富且容易獲取，因此像空氣、海洋、礦石資源都是工業(yè)生產(chǎn)上的首選。工業(yè)制備NaOH時，所選擇的原料便來自于海洋中的氯化鈉和水，包含Na、O、H三種元素。 選擇提取溴和碘的原料 提取溴碘的原料是什么呢？請同學(xué)們閱讀以下信息，了解溴、碘元素在自然界中的存在形式及含量分布。在自然界中溴和碘以化合態(tài)存在，主要是以溴離子、碘離子的形式。溴和碘被稱為“海洋元素”，因為溴和碘在自然界中絕大部分存在于海洋中，它們在海洋中的儲量分別是95萬億噸和930億噸，總量較大，海水當(dāng)之無愧是制備溴和碘原料的第一選擇。工廠也適宜建造在沿海地區(qū)。 海水中溴碘濃度低，提取效率低的解決方案 雖然海水中溴和碘的儲量很大，但研究數(shù)據(jù)表明，海水中溴和碘的濃度約為0.834 mmol/L及0.0005 mmol/L，濃度太低，顯然直接從海水中提取溴和碘將極大地降低提取效率，增加提取成本。工業(yè)上是如何解決的呢？ 對，濃縮，就是通過蒸發(fā)水的形式將海水濃縮，蒸發(fā)的過程中，氯化鈉會因飽和而析出，這個場景就是我們知道的海水曬鹽，工業(yè)上就是直接采用食鹽工廠制備粗鹽后的苦鹵作為原料，實驗測得苦鹵中溴離子的濃度達到了約208.5 mmol/L，濃度提升約250倍，同時海水資源在提取氯化鈉后，再被用來提取溴，也實現(xiàn)了資源的充分利用。那么碘元素是否也以苦鹵為原料呢？在苦鹵中，碘離子的濃度也增大了，但仍僅約為0.1251 mmol/L，碘離子的濃度依舊很低。人們發(fā)現(xiàn)在海洋中，有這樣一類植物，他們具有吸附碘的超能力，能夠主動吸附海洋中的碘離子，他們就是海藻類植物，比如海帶。海帶中碘元素的含量達到18.89 mmol/kg, 約是海洋中碘含量的十萬倍，因此工業(yè)上往往以海帶為原料提取碘。分別通過對海水進行蒸發(fā)濃縮溴元素，以及借助海帶對碘元素進行“濃縮”，解決了濃度低、提取效率低的問題。 二、預(yù)處理原料 在苦鹵中溴元素是以溴離子的形式存在的，我們可以直接以苦鹵為原料，而海帶是一種海洋生物，如何從中得到碘元素呢？實踐發(fā)現(xiàn)海帶或者海帶灰在水中浸泡可使所含的碘元素以離子的形式進入水中。在實際生產(chǎn)中，預(yù)處理過程通常以充分利用原料為原則，提高原料利用率。 三、轉(zhuǎn)化 1. 工業(yè)生產(chǎn)中選擇氧化劑應(yīng)遵循的原則 要把溴離子、碘離子轉(zhuǎn)化為溴和碘，從化合價的角度，我們要將-1價的溴碘離子轉(zhuǎn)化成0價的溴碘單質(zhì)，這是一個氧化的過程，需要為該過程選擇合適的氧化劑。請大家思考，工業(yè)生產(chǎn)中選擇氧化劑需要考慮哪些因素呢？首先從化學(xué)反應(yīng)原理的角度分析，選擇具有適宜氧化性的氧化劑，那么在該反應(yīng)中，對氧化劑的氧化性有什么要求呢？氧化劑的氧化性強于氧化產(chǎn)物的氧化性，因此所選氧化劑的氧化性需強于溴、碘單質(zhì)。除此之外還需要考慮到成本。 2. 選擇提取溴和碘的氧化劑 結(jié)合表中提供的信息，在工業(yè)生產(chǎn)中我們應(yīng)該選擇哪種氧化劑呢？從成本上來看，氯氣明顯優(yōu)于其它氧化劑。綜合考慮化學(xué)反應(yīng)原理及試劑成本，工業(yè)生產(chǎn)中選擇以氯氣作為氧化劑。請同學(xué)們寫出氯氣與溴離子、碘離子發(fā)生反應(yīng)的離子方程式。 但在提溴工業(yè)生產(chǎn)中，氯氣的實際用量比理論值偏大，這是為什么呢？因為海水呈弱堿性，氯氣會和堿發(fā)生反應(yīng)而被消耗?！緞赢嫛恳虼嗽趯嶋H生產(chǎn)中，通入氯氣前會在苦鹵中加入適量的硫酸酸化，提高氯氣的利用率和溴的產(chǎn)率。 四、提純 1. 溴和碘單質(zhì)的特性及提純操作 雖然已經(jīng)將溴離子、碘離子轉(zhuǎn)化為溴、碘單質(zhì)了，但得到的是含溴和碘的水溶液，我們?nèi)绾螐匿逅偷馑娜芤褐刑峒冧搴偷?？我們就要關(guān)注到溴和碘與溶液中其他物質(zhì)間的特性和差異。 結(jié)合上節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道溴單質(zhì)和碘單質(zhì)在水中的溶解度不大，易溶于有機溶劑。那么能否利用溴和碘的這一特性來提取呢？如果可以，又要采取什么操作呢？在實驗室中，我們曾利用溴單質(zhì)、碘單質(zhì)易溶于有機溶劑特性，采取了萃取的方法用少量的有機溶劑將溴和碘從其水溶液中提取到有機溶劑中，事實上，萃取的過程也是富集的過程，從溴單質(zhì)和碘單質(zhì)的有機溶液中，又怎么才能獲得溴單質(zhì)和碘單質(zhì)呢？有同學(xué)提出可以利用溴單質(zhì)和碘單質(zhì)與有機溶劑間沸點的差異，采用蒸餾的方式獲得溴單質(zhì)和碘單質(zhì)。我們從理論上分析可以利用萃取、分液和蒸餾提取溴和碘，在實際生產(chǎn)中是否也是如此呢？ 2. 工業(yè)提溴中，萃取蒸餾方法的可行性分析及優(yōu)化 事實上，提溴過程并未采用萃取的操作，而是采用熱空氣吹出得到含溴的空氣，冷凝后得到粗溴，這其中的原因是什么呢？苦鹵氧化后得到的溴水濃度很低，如果用萃取法提取，有機物與水溶液需要振蕩充分接觸，才能使溴從水中被提取到有機物中，這一過程耗時、耗能。同時性能優(yōu)良、毒性小、來源廣、價格便宜、易于回收的萃取劑還未工業(yè)化。這是提溴工業(yè)生產(chǎn)中并未采用萃取方法的原因。為什么熱空氣可以將溴吹出，利用了溴的什么性質(zhì)呢？我們可以想象這樣一個場景，如果向一杯可樂中不斷吹入熱空氣，最后會怎樣呢？可樂中的二氧化碳含量將會大大降低。熱空氣吹入溶液中，在逸出的過程中能夠帶出易揮發(fā)的氣體，同時熱空氣中的熱量也更有利于其揮發(fā)。這是利用了溴易揮發(fā)的特性。有同學(xué)提出疑問，既然利用揮發(fā)性，為何不利用沸點的差異采用蒸餾的方法呢 因為溴水濃度較低，直接蒸餾顯然也會消耗大量能量，提取效率低，經(jīng)濟效益低。目前我國生產(chǎn)溴的方法中，蒸餾法約占溴產(chǎn)能的10%，其余約90%為熱空氣吹出法。 3. 工業(yè)提碘中，萃取蒸餾方法的可行性分析及優(yōu)化 在實際生產(chǎn)中，從碘的有機溶液中提取碘單質(zhì)也并非采用蒸餾的操作，這是為什么呢？在實驗室蒸餾分離碘單質(zhì)與有機試劑的過程中，發(fā)現(xiàn)燒瓶內(nèi)出現(xiàn)紫色氣體，實際得到的碘單質(zhì)也遠(yuǎn)小于海帶中的含碘量。這是因為碘單質(zhì)易升華，在蒸餾過程中也易隨有機溶劑一起被蒸餾，使得碘的提取效率低。當(dāng)然，碘也沒有采用熱空氣吹出，因為碘是固體，不具有像溴易揮發(fā)的性質(zhì)。工業(yè)上可采用圖中所示的流程提取碘單質(zhì)。濃NaOH溶液與碘單質(zhì)反應(yīng)生成的碘離子和碘酸根離子重新分散在少量的水中，加入酸后，在酸性條件下碘離子、碘酸根離子反應(yīng)重新生成碘單質(zhì)，此時生成的碘以沉淀的形式析出，過濾，得到固體碘單質(zhì)，該方法是利用了碘難溶于水的性質(zhì)，相比于蒸餾，這一過程提高提取效率，減小能耗。 更多提取溴和碘的方法 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多的提取溴碘的方法處在研究階段或已投入使用，如離子交換樹脂法，該法將鹵素離子部分氧化成多鹵離子，通過離子交換柱吸附從而將多鹵離子從溶液中分離并富集，再通過解吸附得到溴碘單質(zhì)。該法也是目前我國工業(yè)提碘的常用工藝。膜分離法是指利用膜兩側(cè)溴碘單質(zhì)濃度的不同，使得溴碘單質(zhì)不斷從原料液擴散到吸收液中，從而實現(xiàn)富集溴碘的方法。這兩種方法分別利用了離子交換和擴散的原理富集溴和碘單質(zhì)，從而提高了提取的效率。 環(huán)節(jié)四：課堂小結(jié)——溴和碘的提取工藝比較 本節(jié)課的學(xué)習(xí)中，我們通過溴和碘的提取，再次重溫了物質(zhì)制備的一般方法：選擇原料、預(yù)處理原料、轉(zhuǎn)化、提純等，溴和碘的提取是分別以苦鹵和海帶為原料，而在原料選擇和預(yù)處理中主要考慮提高原料中溴、碘元素的濃度，從而充分利用原料，提高提取效率，因此該過程也可稱作濃縮。溴、碘離子經(jīng)過氧化轉(zhuǎn)化為溴水和碘水，提純溴碘時分別利用了溴易揮發(fā)和碘難溶于水的特性從溴水和粗碘中提取溴單質(zhì)和碘單質(zhì)。離子交換樹脂法、膜分離法也用 于溴和碘的提取。因此工業(yè)提取溴和碘也可以概括為濃縮、氧化和提取三個過程。每一個過程都是綜合考慮能耗、成本以及對環(huán)境友好而制定的。在溴和碘的提取過程中，我們也充分感受到了化工生產(chǎn)的特點，在綠色化學(xué)思想的指導(dǎo)下，以低成本、高品質(zhì)、高效率的規(guī)?；a(chǎn)，為社會發(fā)展貢獻力量。 環(huán)節(jié)五：布置作業(yè) 基于溴和碘提取方法的學(xué)習(xí)感悟，請同學(xué)們依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)及其變化，歸納綜合利用自然資源的方法。另外，海洋中有豐富的資源，海水中鎂的含量僅次于鈉和氯，位居第三，我們?nèi)绾螐暮Ｋ刑崛℃V呢？請依據(jù)工業(yè)提取溴和碘的思路，查閱相關(guān)資料，繪制工業(yè)提鎂的流程圖。

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