从海带中提取碘单质的研究
2011-05-18 09:17阅读:
从海带中提取碘单质的研究
刘淑霞
天津市海河中学,天津市南京路5号,300202.
E-mail: ch_liushuxia@163.com,
Ph:022-58688019
摘要:
本文中,我们以海带为原料提
取碘单质,进行了煅烧法和水煮法提取海带中的碘探究、海带煅烧条件探究,以及不同溶液环境下碘的存在形式探究。其中煅烧法和水煮法都可以用来提取碘,原料用量相同的情况下得到的海带提取液颜色不同,但对碘单质的获得和检验影响不大。在海带煅烧条件的探究中,用控制变量思想探究酒精用量对于海带燃烧效率的影响。结果表明,适量使用酒精助燃可提高海带燃烧效率,得到的海带灰提取液颜色变浅,对提取液的
pH值影响不大。在对不同溶液环境下碘的存在形式探究中发现了含碘溶液的颜色震荡的有趣现象,说明碘元素在酸性条件下可以被氧化剂氧化生成碘单质,但不能被进一步氧化,而在中性尤其是碱性条件下,碘元素以碘离子或者碘酸根形式存在。
关键词:海带 提碘 煅烧 水煮 颜色震荡
一、课题研究背景及意义
植物中某些成分有着重要的用途,从植物中提取这些成分是人们对植物利用的一个重要方面。随着近年来国际上“回归自然”、“绿色消费”渐成时尚,植物提取物已广泛应用于饮料、食品烟草、洗涤剂、化妆品、制药等行业,它是一种新兴的高科技产品,有着非常广阔的发展前景。碘是人体生命活动中极为重要的微量元素之一。人体的碘主要来源之一是海洋生物,尤其是资源丰富的海带。因此对海带中碘的提取无论是对人类生活还是对海带成分的分析都是具有较重要的意义[1]。本课题旨在通过从海带中提取碘单质,使学生了解从植物中提取物质的一般方法。
“从海带中提取碘”是高中化学乃至大学化学的一个经典的研究课题,其设计目标是让学生了解并掌握从植物中提取无机物的一般方法。尽管从海带中提取碘的研究实验方案已经比较成熟[1-5],然而对于高中学生来说,这些仍是未知的知识。青少年的创造力是自我实现的创造力,
是在独立思考基础上的创造性学习和活动。这种创造对人类、社会未必新,
但对自己是全新的产品。因而鼓励学生自主探究、制定研究方案、体会科学研究的一般过程,对于培养他们的创新能力和团队合作精神等方面都有非常重要的意义。
二、仪器药品和方案设计
(一)实验仪器和药品
实验仪器:酒精灯、蒸发皿、烧杯、三脚架、泥三角、玻璃棒、试管、分液漏斗 胶头滴管 漏斗 滤纸
实验药品: 干海带、加碘盐 、双氧水(3%)、酒精、氢氧化钠(10%)溶液、 淀粉水溶液、碘水、盐酸(2mol/L)
(二)方案设计
1、煅烧法和水煮法提取海带中的碘探究
取适量干海带,除去干海带表面附着物并剪碎,分别称取 2克处理后海带,一份放入坩埚中加入2毫升酒精润湿后煅烧,一份放入烧杯中加入30毫升蒸馏水中加热煮沸。控制煅烧和水煮时间均为10分钟。将煅烧得到的海带灰捣碎后置于烧杯中,向烧杯中加入30毫升蒸馏水并加热煮沸2分钟。待样品冷却至室温,过滤并收集滤液,分别测定溶液的pH值,然后用酸化的双氧水和淀粉溶液检验碘的存在。
2、海带煅烧条件探究
除去干海带表面附着物并剪碎,分别称取2克处理后的海带并置于两个坩埚中,一份不加酒精直接煅烧,另一份加2毫升酒精润湿后煅烧,煅烧后期再加入少量酒精助燃。将煅烧后的海带灰分别加30毫升蒸馏水煮沸2分钟,待样品冷却到室温,过滤并收集滤液,分别测定两份溶液的pH值,然后用酸化的双氧水和淀粉溶液检验碘单质的存在。
3、不同溶液环境下碘的存在形式探究
(1)将煅烧法得到的海带灰提取液加入淀粉溶液,观察溶液是否变蓝。向样品中加入过氧化钠,观察溶液颜色是否变化,并测定溶液的pH值。向溶液中加入几滴稀盐酸,观察溶液颜色变化并测定溶液的pH值。继续加入过氧化钠,观察溶液颜色的变化。
(2)取一定量的碘水,向其中加入淀粉溶液,观察溶液颜色变化。逐滴加入过氧化钠溶液,观察溶液颜色变化。向混合溶液加入稀盐酸,观察溶液颜色变化,再加入稀氢氧化钠溶液,观察溶液颜色变化。重复进行后两个操作,观察记录溶液颜色变化。
三、结果与讨论
1、煅烧法和水煮法提取海带中的碘探究
分别用煅烧法和水煮法提取海带中的碘,得到的海带提取液颜色和pH值不同,煅烧法得到的海带灰提取液为无色(图1d右试管),溶液pH值为8~9,而水煮法得到的海带提取液为黄色(图1d左试管),溶液pH值约为6,如图1a-c所示。向两份海带提取液中分别加入2滴淀粉溶液,振荡后均未出现蓝色,说明两
图1煅烧法和水煮法得到的海带提取液对比
份海带提取液中均不存在碘单质。再分别向两份溶液中滴加过氧化钠,也未见蓝色出现。这是因为在海带中碘主要以有机碘化合物存在,煅烧后的海带灰以无机碘化物形式存在,而水煮后的海带灰除了无机碘化物还有部分仍以有机碘化合物
形式存在。过氧化钠氧化碘离子需要酸性环境,所以此时不显示蓝色。分别向两份溶液中加入2滴稀盐酸,两份样品均呈蓝色,如图1e所示,这表明两份海带提取液中碘都存在碘离子,同时也证明了海带中含有碘。
本实验表明,在海带用量的相同的情况下,两个海带提取液加入酸化的氧化剂和淀粉溶液后都呈蓝色,且颜色深浅程度相近。说明两种方法都可以用来提取碘单质,其中煅烧法可基本将海带中的有机物完全炭化,得到的海带提取液为无色,其中碘元素以碘离子形式存在,而水煮法得到的海带提取液含有大量的有机物(色素),加入酸化的双氧水后有许多其他反应,但从反应结果看,对碘单质的获得和检验影响不大。
2、海带煅烧条件探究
海带的煅烧过程实际上其逐步炭化的过程,干海带逐渐失水、燃烧,最后变成黑色粉末。这个过程的特点是在煅烧的初期发生燃烧,有火焰和烟,并伴有焦糊味,约持续2分钟,接下来是炭化过程,燃烧现象越来越不明显,5分钟后基本观察不到明显变化。影响海带煅烧效率的因素有:煅烧时间、酒精用量、海带的粉碎程度等。在探究一种条件的影响时,要控制其他条件不变,这是控制变量思想。这里控制其他条件不变,探究酒精用量对于海带燃烧效率和收率的影响。经过实验对比,发现不加酒精的情况下,海带不易燃烧,煅烧时间较长并且炭化不完全,得到的海带灰颜色不均匀,有的部分呈灰黑色,有的部分呈灰白色,如图2a右所示。颜色发白有可能是附着在海带上的盐造成的,因为本实验对海带处理是将表面的附着物刷掉,海带表层的可溶性盐不可能完全去除。另外,得到的海带灰保持了煅烧前的形状,有的甚至保留了煅烧前的颜色(如黄色),这导致将海带灰加水煮沸后得到的海带灰提取液为深黄色(图2c右),比直接水煮法得到的海带提取液颜色还深。三种方式得到的海带提取液的pH值如图2b所示,直接水煮法海带提取液pH值为6,煅烧法得到的海带灰提取液pH值约为8-9。不加酒精直接煅烧与加酒精助燃得到的海带提取液pH值差别不大(后者稍大),但两者颜色有较大差别(图2c),不加酒精助燃的情况因燃烧不充分,使海带灰提取液呈黄色。
图2
海带煅烧条件对海带提取的影响
因此,为了海带炭化更完全及使碘离子转化为碘单质时现象明显,有必要加入适量酒精润湿海带,以便在海带煅烧过程中起到助燃作用。实验观察发现,加入酒精与不加酒精的区别在煅烧的开始阶段和后期。开始阶段可以加快海带的燃烧和炭化速度,当燃烧完成后,仍有部分海带未炭化,这时加入少量酒精可在酒精燃烧过程中促进这部分海带炭化。不过,需要说明的是,加入酒精过多,尤其是在燃烧初期,反而不利于海带的炭化。因为酒精量过多,会导致开始时主要是酒精在燃烧,这反而会减慢海带的煅烧速度。另一方面,酒精加入过多,随着酒精的挥发和燃烧,海带中部分成分包括碘元素在内也会随之损失。
3、不同溶液环境下碘的存在形式的探究
煅烧法得到的海带灰提取液(图3a左)无色,向其中加入淀粉溶液,溶液不变蓝,说明海带灰提取液中无碘单质存在。继续向加有淀粉溶液的海带灰提取液中加入过氧化钠溶液,未出现蓝色(图3b右),测定溶液的pH值为8左右。
图3过氧化钠氧化碘离子及碘单质的条件探究
上述现象说明此时没有碘单质生成,这是由于双氧水在酸性条件下才有较强的氧化性。继续向溶液中加入几滴稀盐酸,溶液很快呈现蓝色,测定此时溶液pH值约为2(图3a右和3b左)。继续向溶液中滴加双氧水,溶液蓝色不消失,表明此条件下碘仍以单质形式存在。而当此溶液呈中性或碱性条件时(前一步骤加入盐酸量少或再向溶液中加入少量氢氧化钠中和盐酸),继续加入过氧化钠则可使溶液蓝色消失。
2I- +
H2O2 + 2H+ =
I2 +
2H2O
(酸性条件)
5H2O2
+ I2
= 2IO3-
+4 H2O + 2H+
(中性条件、碘浓度较大时)
5H2O2
+ I2 +
2OH- =
2IO3-
+ 3H2O
(碱性条件)
3I2
+ 6OH- =
IO3- + 5I- + 3
H2O
(碱性条件)
5I- +
IO3- + 6H+ = 3I2
+ 3 H2O
(酸性条件)
用实验室的碘水溶液做对比实验。碘水溶液的pH值约为6,向碘水中加入淀粉溶液,溶液变蓝,滴加入双氧水,溶液蓝色消失。再滴加少量稀盐酸,溶液再次变蓝,显示有碘单质生成,再加稀氢氧化钠,溶液蓝色消失。重复循环加入酸和碱,溶液颜色在蓝色和无色间循环交替,反应方程式如上所示。
向海带提取液中加入淀粉和双氧水,不加酸条件下溶液不变蓝,只有在酸性条件下才呈现蓝色,而酸和氧化剂的加入顺序对现象无影响。在酸性环境中,向海带提取液中继续加入双氧水,蓝色不消失,表明得到的碘单质在酸性环境下不能被进一步氧化。而在中性环境下,双氧水可将碘单质氧化,使溶液蓝色消失。碱性条件下,碘只能以碘酸根和碘离子形式存在,所以碱性条件下含碘溶液颜色与氧化剂的加入与否及用量无关。
三、课后反思
新课程标准中有这样一条内容标准:“认识化学实验在学习和研究化学中的作用”,本课题在参考高中化学选修6教材的基础上,突出实验探究这一特点。在课题思路的设计上,变“提碘”为“如何提碘”,变验证性实验为探索性实验,旨在体现以学生为主体、培养学生终身发展所必需的方法和能力的教育理念。
考虑到学生的认知结构和学情,高中学生的科学探究应该从兴趣出发,联系生活实际,在带领学生探究过程中以学生发现问题、提出问题并探索解决问题为主,教师在其中起到引领和点拨的作用,这样可以充分发挥学生的积极性和主动性,实验探究才真的体现探究过程。因此本节探究课在设计上注重学生的主导作用,讲义内容以问题引领为主,实验过程以学生出现的问题为突破点。学生在实验过程中通过小组讨论确定实验方案,得出的实验方案会有考虑不周之处,但正因如此,才在许多环节有新的发现,学生通过实验不仅体验到自己设计完整实验方案的过程,培养团队合作意识和能力,而且通过发现问题了解到实验探究不同于实验验证的根本所在,体验到发现的乐趣与成就感。
例如,在为学生的提供的酒精作何用途上,很多同学产生了疑问,即“实验中加入酒精有何作用,酒精用量应为多少”等,我没有直接告诉学生答案,而是让学生自己去思考、尝试。很快,不同组的同学在各自实验后交流对比发现,在烧海带灰时加入少量酒精可以使海带燃烧速度加快、燃烧充分。但加入量过多,海带燃烧时间加长,得到的海带灰颜色变浅,这是我们的一个新发现。接着我让同学继续深入思考产生这种现象的原因。经过讨论,学生得出这是由于酒精能够溶解碘的化合物,随着酒精燃烧挥发,大量的碘化合物随之挥发散失。通过深入讨论,同学不仅明白了本实验中酒精的用处、用量,而且把燃烧法与浸泡法结合起来,从整体上对从植物中提取无机物有了更加全面和深入的认识。
在氧化剂的用量和氧化环境的选择上,学生的实验结果也是各不相同,甚至是相互矛盾的。双氧水能够氧化碘离子,这一点大家毫不怀疑。但是,直接向海带提取液中加入淀粉溶液则没有蓝色出现,这引起了很多同学的质疑。我引导大家从方程式的角度考虑这个氧化还原反应的发生需要什么条件。很快,学生利用已有的知识写出了方程式,得出了双氧水要氧化碘必须在酸性环境中。接着我引导大家思考“双氧水能将碘单质继续氧化为碘酸根吗,需要什么条件?”学生们很快开始了猜测和实验验证。在加过盐酸的海带提取液中继续加入双氧水蓝色不褪去,于是学生得出了双氧水不能氧化碘单质的结论;而有的组向溶液中加入少量氢氧化钠将溶液调为中性或碱性,则溶液的蓝色消失,得到了双氧水可以氧化碘单质的结论。我引导同学们在控制其他量相同的情况下,把溶液的酸碱度和溶液颜色结合起来,这样大家就取得了一致的结论。为了证明这一结论,我们又用碘水进行了验证,终于发现了酸和碱的加入对溶液颜色的影响这一规律。
此外,在实验方案的设计上,笔者从STS教育理念出发,引导学生在方案设计时联系环境保护和可持续发展,使学生掌握科学研究的方法,对学生进行发散思维、创新思维等科学思维的训练。例如,每个研究小组在设计方案时都提到在水溶液中将碘离子氧化为碘单质后,用苯或四氯化碳进行萃取,因为他们刚刚学过萃取的分离方法。但笔者在引导学生讨论中提到,萃取用到的有机溶剂有一定毒性,应该减少或避免使用。因为萃取的方法学生已经掌握了,并且知道下一步要用到这个操作,实验方案设计的目的已经达成,在这种情况下,就可以充分考虑到环境保护和可持续发展的问题了。实验过程中和实验结束后,组织学生进行组内实验结果讨论和不同小组的实验结果评比,引导学生分析实验成功的关键,交流和分享探究过程的经验,这样每一节课学生都有很大的收获,不仅在实验技能有了很大提高,分析和归纳的能力也得到很好地锻炼,这是在教学管理中进行的有效探索。
参考文献
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2.谭志安,花蓓,施巧芳,张国林,关于“海带中提取碘'的一点实验改进,泰州职业技术学院学报,2002,2(1),29-30.
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4.李春梅,申玉双,贾密英,尹珍宝,海带提取碘实验的教学改进与应用,中国现代教育装备,2007,6,53-54.
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