从海带中提取碘的实验教学设计与改革

盖利刚 姜海辉 马万勇

(山东轻工业学院化学工程学院 山东济南 250353)

碘是动植物和人体的必需微量元素，也是制备无机和有机碘化物的基本原料。虽然海水中碘含量甚低，但海带、海藻等一些海洋植物具有选择性吸收和富集碘的能力[1]。据文献报道[2]，海带中碘含量一般在0.3%以上，最高可达0.7%～0.9%；我国海带碘含量多数在0.5%左右。由于海带价廉易得，可作为实验室提取碘的原料[1-5]。

从海带中提取碘是大学化学综合设计型实验的常见实验。以海带为原料提取碘，主要有灰化法、发酵法和浸出吸附法[6]。发酵法和浸出吸附法很容易将海带中的有机物(如甘露醇等)引入海带提取液中，给后续碘的提取，特别是采用有机溶剂萃取分离获碘[1-3]增加难度。灰化法是实验室从海带中提取碘所广泛采用的方法[1-5]。根据具体实验流程的差别，灰化法提取碘又包括加热升华[4-5]和溶剂萃取两条路线[1-3](图1)。

加热升华法能直观地看到紫色的碘蒸气，实验现象明显；但凝华在试管或烧瓶底部的碘单质很难收集，故用此法难以计算海带中碘的百分含量。有机溶剂萃取法能够从碘的水溶液中富集和分离碘，但如何将碘单质和有机溶剂分离开来，是该方法难以解决的问题。利用碘遇淀粉变蓝只能用于含I2溶液的定性分析，采用氧化还原滴定虽能对含I2溶液进行定量分析，但收集不到单质碘。周令芬[1]采用NaNO2氧化、CCl4萃取法得到碘的CCl4溶液，再加入NaOH水溶液使碘歧化转入水溶液，将含碘水溶液分离、酸化、冷冻干燥得到了单质碘；但文献[6]没有给出从定量海带中提取的单质碘的质量，而且NaNO2氧化法能生成NO(NO在空气中进一步被氧化成NO2(有毒))，冷冻干燥实验周期长，不适合在大学化学实验教学中推广。

图1 灰化法从海带中提取碘的实验路线

本实验对上述从海带中提取碘的实验作了改进，在实验中融入绿色化学理念，对实验内容和实验要求进行了重新设计。主要体现在以下4点：(1)用海带碱溶法代替海带灰化法，既可以将海带中的碘有效地转移至水溶液中，又避免了海带灰化过程所造成的空气污染和能量消耗。(2)以双氧水为氧化剂，采用电位滴定法控制I-的氧化程度，可避免生成I2的过氧化。(3)以沸点低、极性小的无水乙醚为萃取剂，既可以避免富集I2过程中混入极性有机物(如甘露醇等)，又可以使I2和萃取剂有效分离；得到的I2收率较高、可用差量法称量。(4)实验内容既包含萃取、减压分离和氧化还原滴定等基本操作，又涉及酸度计、电位滴定仪和分光光度计的使用，体现了化学分析和仪器分析的有机结合。

1 实验目的

(1) 认识从植物中提取化学品的价值和意义，了解单质碘的用途。

(2) 熟悉碘离子、碘酸根和单质碘的化学反应和单质碘的测定方法。

(3) 熟悉萃取、减压蒸馏和氧化还原滴定等基本操作。

(4) 学习酸度计、电位滴定仪和分光光度计的使用。

2 实验原理

(1) 海带中的碘主要以碱金属碘化物[4]和有机碘化物[7]形式存在。加入碱溶液将海带中的有机碘转化为碱金属碘化物，以提高海带中I-向水溶液的转移程度。调溶液至指定pH，将含I-水溶液氧化、析碘；再用无水乙醚萃取、干燥、减压分离，得单质碘。

(2) 电位滴定氧化析碘。向酸化的I-的水溶液中滴加一定浓度的双氧水，在滴定过程中监测指示电极的电位变化，根据反应生成I2的物质的量的变化所引起的电极电位突跃，来确定滴定终点。

双氧水氧化析碘反应如式(Ⅰ)，生成I2的过氧化反应如式(Ⅱ)。

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

(Ⅰ)

5H2O2+I2=2HIO3+4H2O

(Ⅱ)

(3)分光光度法确定碘含量[8]。采用紫外-可见分光光度计，于200～800nm范围内测量I2的水溶液的吸收光谱，确定最佳吸收波长为460nm；再于460nm处测定提取I2的水溶液的吸光值。根据Lambert-Beer定律确定所提取的碘的质量。

(4) 碘量法确定碘含量[2]。用1～3mmol/L标准硫代硫酸钠溶液滴定含I2水溶液，滴至溶液呈淡黄色时，加入3mL 0.4%的淀粉溶液，继续滴定至蓝色刚好消失，记录所滴加的硫代硫酸钠溶液的体积。做用该标准硫代硫酸钠溶液滴定新鲜蒸馏水的空白实验。根据反应式(Ⅲ)计算所提取的碘的质量。

(Ⅲ)

3 材料、试剂与仪器

3.1 材料和试剂

无水碳酸钠、浓盐酸、浓硫酸、30%过氧化氢、无水乙醚、无水硫酸镁、硫代硫酸钠、重铬酸钾和可溶性淀粉，以上试剂均为分析纯；市售干海带。

3.2 仪器

HJ-3恒温磁力搅拌器(江苏金坛市中大仪器厂)，PHS-2F型数字pH计(上海精密科学仪器有限公司)，501型氧化还原复合电极(上海精密科学仪器有限公司)，TU-1810型紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)。

4 实验要求

(1) 实验方案制定。根据所提供的材料、试剂和仪器，自行查阅相关文献，分小组制定实验方案。指导教师组织学生集中讨论，并对各小组制定的实验方案进行点评。

(2) 熟悉与本实验有关的实验装置、仪器的安装及使用。指导教师给学生演示相关实验装置、仪器的安装及使用，并指导学生学会正确安装和使用相关实验装置和仪器。

(3) 按论文格式要求撰写实验报告。

5 思考与设计

思考、回答以下问题，并完成相关数据的采集。

(1) 碱溶法煮泡海带与不加碱或海带灰化法相比有何优点？

(3) 根据Nerst方程(式Ⅳ)，H2O2/H2O电对的电极电势与双氧水浓度以及溶液的pH有关。请设计双氧水浓度与海带浸出液酸化的正交实验，确定最佳实验条件，并完成实验数据采集。数据采集表包括如下内容：干海带样品序号、质量，浸出液酸化后pH，滴定前后电位变化情况，电位突跃时所用双氧水的体积，溶液颜色，吸光度(λ=460nm)，氧化析碘后溶液中I2的质量。

(Ⅳ)

(4) 如何确定溶液中的I-全部转化成I2，而且生成的I2没有进一步被氧化？请设计合理的实验方案。

(5) 本实验为什么采用无水乙醚作萃取剂？文献中报道的以四氯化碳为萃取剂在本实验中是否可行？为什么？

(6) 如何回收减压分离过程中的无水乙醚？请画出可行的实验装置简图。

(7) 如何确定差量法所提取的I2的纯度？完成以下数据采集：干海带样品序号、质量，氧化析碘后溶液中I2的质量，乙醚萃取后差量法所得I2的质量，萃取效率(η=((A0-Ar)/A0)×100%)，A0和Ar分别为萃取前和萃取后水溶液的吸光度)，以及提取I2的纯度检验(分别用碘量法和分光光度法完成)。

6 教学设计特点

(1) 通过调研文献，设计、讨论、修改方案，开展实验以及撰写实验报告，培养学生的科研意识，并体现教学与科研的相互促进。

(2) 思考与设计的内容贯穿实验的全过程，涉及无机及分析化学(卤素、氧化还原反应与滴定、化学键与分子结构)、有机化学(萃取、减压蒸馏)和仪器分析(紫外-可见分光光谱法、电位分析法)课程的内容，知识点分布广，有利于提高学生分析和解决问题的能力。这种“问题化”教学方式，易激发学生的实验兴趣，使学生积极参与，成为实验教学的主体[9]。

(3) 将绿色化学理念融入实验教学课堂，有助于培养和提高学生的环保意识。

参 考 文 献

[1] 周令芬.海南大学学报(自然科学版),1997,15(3):236

[2] 崔克宇,刘少春,王悦,等.吉林师范大学学报(自然科学版),2007(4):38

[3] 谭志安,花蓓,施巧芳,等.泰州职业师范学院学报,2002,2(1):29

[4] 胡小莉,李原芳,凌莉莎,等.西南师范大学学报(自然科学版),2007,32(5):168

[5] 李春梅,审玉双,贾密英,等.中国现代教育装备,2007(6):53

[6] 王京刚,冯丽娟,相湛昌,等.无机盐工业,2008,40(11):11

[7] 迟玉森,庄桂东,韩荣伟,等.海盐湖与化工,2005,34(6):12

[8] 陈玉峰,冉广芬,马海州,等.2006,14(2):42

[9] 刘震,梁靓,窦鹏,等.大学化学,2010,25(1):54