资源简介

教学设计
课程基本信息
学科 化学 年级 高一 学期 秋季
课题 溴和碘的提取
教科书 书 名：沪科版教材 必修 第一册 出版社：上海科学技术出版社
教学目标
1. 归纳溴和碘提取的过程和原理，并书写相关化学反应的离子方程式。 2. 分析溴和碘提取过程的差异，认识物质性质对化工生产的指导意义 。 3. 构建综合利用海洋资源的一般方法。认识化学原理和技术在自然资源开发利用方面的促进作用，能够正确处理资源开发和环境保护的关系。
教学重难点
教学重点： 从海洋中进行溴的提取的一般方法和主要步骤。 从海洋中进行碘的提取的一般方法和主要步骤。 教学难点： 1. 归纳溴和碘提取的主要原理和过程的共性与差异。
2. 构建综合利用海洋资源的一般方法。
教学过程
环节一：课堂引入——生活中的溴和碘 在生活生产中，你知道哪些物质含有溴、碘元素吗？某些阻燃剂、杀虫剂、消毒剂、抗生素、镇静剂等含有溴元素；碘是人体所必须的微量元素，其构成的甲状腺激素能够影响大脑和神经系统的发育，因此碘也被称为智力元素，一些含碘的物质在生物医药行业广泛使用，例如碘伏、X射线造影剂等。溴和碘在生活中应用如此广泛，工业上是如何制备溴和碘的呢？ 环节二：物质制备的一般步骤——回顾氯碱工业 前面我们学过了氯碱工业，同学们已经知道工业上制备物质往往需要经过原料的选择、预处理、转化及提纯等步骤。氯碱工业中，以海水为原料，通过预处理得到饱和食盐水，电解后通过精制得到纯度更高的氢氧化钠。提取溴和碘的原料是什么呢？原料需经过怎样的预处理，又怎样转化成产品呢？最后如何提纯得到纯净的溴和碘呢？ 环节三：溴和碘的提取工艺 一、选择原料 思考选择原料时遵循的原则 选择原料是物质制备的关键点之一，选择时应当遵循哪些原则呢？首先原料中应包含产品中所有的组成元素，其次在进行原料选择时，需满足在自然界中储量丰富且容易获取，因此像空气、海洋、矿石资源都是工业生产上的首选。工业制备NaOH时，所选择的原料便来自于海洋中的氯化钠和水，包含Na、O、H三种元素。 选择提取溴和碘的原料 提取溴碘的原料是什么呢？请同学们阅读以下信息，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态存在，主要是以溴离子、碘离子的形式。溴和碘被称为“海洋元素”，因为溴和碘在自然界中绝大部分存在于海洋中，它们在海洋中的储量分别是95万亿吨和930亿吨，总量较大，海水当之无愧是制备溴和碘原料的第一选择。工厂也适宜建造在沿海地区。 海水中溴碘浓度低，提取效率低的解决方案 虽然海水中溴和碘的储量很大，但研究数据表明，海水中溴和碘的浓度约为0.834 mmol/L及0.0005 mmol/L，浓度太低，显然直接从海水中提取溴和碘将极大地降低提取效率，增加提取成本。工业上是如何解决的呢？ 对，浓缩，就是通过蒸发水的形式将海水浓缩，蒸发的过程中，氯化钠会因饱和而析出，这个场景就是我们知道的海水晒盐，工业上就是直接采用食盐工厂制备粗盐后的苦卤作为原料，实验测得苦卤中溴离子的浓度达到了约208.5 mmol/L，浓度提升约250倍，同时海水资源在提取氯化钠后，再被用来提取溴，也实现了资源的充分利用。那么碘元素是否也以苦卤为原料呢？在苦卤中，碘离子的浓度也增大了，但仍仅约为0.1251 mmol/L，碘离子的浓度依旧很低。人们发现在海洋中，有这样一类植物，他们具有吸附碘的超能力，能够主动吸附海洋中的碘离子，他们就是海藻类植物，比如海带。海带中碘元素的含量达到18.89 mmol/kg, 约是海洋中碘含量的十万倍，因此工业上往往以海带为原料提取碘。分别通过对海水进行蒸发浓缩溴元素，以及借助海带对碘元素进行“浓缩”，解决了浓度低、提取效率低的问题。 二、预处理原料 在苦卤中溴元素是以溴离子的形式存在的，我们可以直接以苦卤为原料，而海带是一种海洋生物，如何从中得到碘元素呢？实践发现海带或者海带灰在水中浸泡可使所含的碘元素以离子的形式进入水中。在实际生产中，预处理过程通常以充分利用原料为原则，提高原料利用率。 三、转化 1. 工业生产中选择氧化剂应遵循的原则 要把溴离子、碘离子转化为溴和碘，从化合价的角度，我们要将-1价的溴碘离子转化成0价的溴碘单质，这是一个氧化的过程，需要为该过程选择合适的氧化剂。请大家思考，工业生产中选择氧化剂需要考虑哪些因素呢？首先从化学反应原理的角度分析，选择具有适宜氧化性的氧化剂，那么在该反应中，对氧化剂的氧化性有什么要求呢？氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性，因此所选氧化剂的氧化性需强于溴、碘单质。除此之外还需要考虑到成本。 2. 选择提取溴和碘的氧化剂 结合表中提供的信息，在工业生产中我们应该选择哪种氧化剂呢？从成本上来看，氯气明显优于其它氧化剂。综合考虑化学反应原理及试剂成本，工业生产中选择以氯气作为氧化剂。请同学们写出氯气与溴离子、碘离子发生反应的离子方程式。 但在提溴工业生产中，氯气的实际用量比理论值偏大，这是为什么呢？因为海水呈弱碱性，氯气会和碱发生反应而被消耗。【动画】因此在实际生产中，通入氯气前会在苦卤中加入适量的硫酸酸化，提高氯气的利用率和溴的产率。 四、提纯 1. 溴和碘单质的特性及提纯操作 虽然已经将溴离子、碘离子转化为溴、碘单质了，但得到的是含溴和碘的水溶液，我们如何从溴水和碘水的溶液中提纯溴和碘？我们就要关注到溴和碘与溶液中其他物质间的特性和差异。 结合上节课的学习，我们知道溴单质和碘单质在水中的溶解度不大，易溶于有机溶剂。那么能否利用溴和碘的这一特性来提取呢？如果可以，又要采取什么操作呢？在实验室中，我们曾利用溴单质、碘单质易溶于有机溶剂特性，采取了萃取的方法用少量的有机溶剂将溴和碘从其水溶液中提取到有机溶剂中，事实上，萃取的过程也是富集的过程，从溴单质和碘单质的有机溶液中，又怎么才能获得溴单质和碘单质呢？有同学提出可以利用溴单质和碘单质与有机溶剂间沸点的差异，采用蒸馏的方式获得溴单质和碘单质。我们从理论上分析可以利用萃取、分液和蒸馏提取溴和碘，在实际生产中是否也是如此呢？ 2. 工业提溴中，萃取蒸馏方法的可行性分析及优化 事实上，提溴过程并未采用萃取的操作，而是采用热空气吹出得到含溴的空气，冷凝后得到粗溴，这其中的原因是什么呢？苦卤氧化后得到的溴水浓度很低，如果用萃取法提取，有机物与水溶液需要振荡充分接触，才能使溴从水中被提取到有机物中，这一过程耗时、耗能。同时性能优良、毒性小、来源广、价格便宜、易于回收的萃取剂还未工业化。这是提溴工业生产中并未采用萃取方法的原因。为什么热空气可以将溴吹出，利用了溴的什么性质呢？我们可以想象这样一个场景，如果向一杯可乐中不断吹入热空气，最后会怎样呢？可乐中的二氧化碳含量将会大大降低。热空气吹入溶液中，在逸出的过程中能够带出易挥发的气体，同时热空气中的热量也更有利于其挥发。这是利用了溴易挥发的特性。有同学提出疑问，既然利用挥发性，为何不利用沸点的差异采用蒸馏的方法呢 因为溴水浓度较低，直接蒸馏显然也会消耗大量能量，提取效率低，经济效益低。目前我国生产溴的方法中，蒸馏法约占溴产能的10%，其余约90%为热空气吹出法。 3. 工业提碘中，萃取蒸馏方法的可行性分析及优化 在实际生产中，从碘的有机溶液中提取碘单质也并非采用蒸馏的操作，这是为什么呢？在实验室蒸馏分离碘单质与有机试剂的过程中，发现烧瓶内出现紫色气体，实际得到的碘单质也远小于海带中的含碘量。这是因为碘单质易升华，在蒸馏过程中也易随有机溶剂一起被蒸馏，使得碘的提取效率低。当然，碘也没有采用热空气吹出，因为碘是固体，不具有像溴易挥发的性质。工业上可采用图中所示的流程提取碘单质。浓NaOH溶液与碘单质反应生成的碘离子和碘酸根离子重新分散在少量的水中，加入酸后，在酸性条件下碘离子、碘酸根离子反应重新生成碘单质，此时生成的碘以沉淀的形式析出，过滤，得到固体碘单质，该方法是利用了碘难溶于水的性质，相比于蒸馏，这一过程提高提取效率，减小能耗。 更多提取溴和碘的方法 随着科学技术的发展，更多的提取溴碘的方法处在研究阶段或已投入使用，如离子交换树脂法，该法将卤素离子部分氧化成多卤离子，通过离子交换柱吸附从而将多卤离子从溶液中分离并富集，再通过解吸附得到溴碘单质。该法也是目前我国工业提碘的常用工艺。膜分离法是指利用膜两侧溴碘单质浓度的不同，使得溴碘单质不断从原料液扩散到吸收液中，从而实现富集溴碘的方法。这两种方法分别利用了离子交换和扩散的原理富集溴和碘单质，从而提高了提取的效率。 环节四：课堂小结——溴和碘的提取工艺比较 本节课的学习中，我们通过溴和碘的提取，再次重温了物质制备的一般方法：选择原料、预处理原料、转化、提纯等，溴和碘的提取是分别以苦卤和海带为原料，而在原料选择和预处理中主要考虑提高原料中溴、碘元素的浓度，从而充分利用原料，提高提取效率，因此该过程也可称作浓缩。溴、碘离子经过氧化转化为溴水和碘水，提纯溴碘时分别利用了溴易挥发和碘难溶于水的特性从溴水和粗碘中提取溴单质和碘单质。离子交换树脂法、膜分离法也用 于溴和碘的提取。因此工业提取溴和碘也可以概括为浓缩、氧化和提取三个过程。每一个过程都是综合考虑能耗、成本以及对环境友好而制定的。在溴和碘的提取过程中，我们也充分感受到了化工生产的特点，在绿色化学思想的指导下，以低成本、高品质、高效率的规模化生产，为社会发展贡献力量。 环节五：布置作业 基于溴和碘提取方法的学习感悟，请同学们依据物质的性质及其变化，归纳综合利用自然资源的方法。另外，海洋中有丰富的资源，海水中镁的含量仅次于钠和氯，位居第三，我们如何从海水中提取镁呢？请依据工业提取溴和碘的思路，查阅相关资料，绘制工业提镁的流程图。

展开更多......

收起↑