碘和四氯化碳的分離實驗探究

文章編號:1005-6629(2010)05-0016-03 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:C

問題的提出:在一次和北大教授嚴宣申老先生書信交流時，嚴先生在信中說:“高考試題中碘和四氯化碳的分離，答案為蒸餾，值得商榷。”嚴老先生沒有更多的解釋。然而高考、各種高考模擬試卷和各種參考書的答案都是蒸餾，我們平時教學時，也都講蒸餾。針對這一問題，我進行了一系列的查證，問題終于有了答案。本文主要闡述了碘和四氯化碳分離的實驗探究過程和一系列的思考，供同行們參考。

1 1994年上海高考化學題例析

首先，我查閱了歷年的高考試題，涉及上述問題的主要是1994、1997年的上海高考試題，模擬試卷和教參就不查證了。這里以1994年上海高考試題為例。

海洋植物如海帶海藻中含有豐富的碘元素，碘元素以碘離子的形式存在。實驗室里從海洋中提取碘的流程如下(見圖1):

(1)指出圖1中提取的過程中有關實驗操作名稱:①_______;③_______。

(2)提取碘的過程中，可供選擇的有機溶劑是_________。

A. 水、酒精B. 四氯化碳、苯

C. 汽油、酒精

(3)從含碘的有機溶液中提取碘和回收有機溶劑，還需經過蒸餾。指出圖2所示實驗裝置中的錯誤之處;①_________;②________;③_______。

(4)進行上述蒸餾操作時，使用水浴的原因是__________________;(I2熔點:114 ℃，沸點:184 ℃)最后碘晶體在_________里聚集。

2 蒸餾法分離的實驗探究

筆者做了如下系列實驗:

2.1實驗1將上圖修正(燒杯下墊上石棉網，溫度計的水銀球置于蒸餾燒瓶的支管口，冷凝水的方向反一反)，然后進行碘和四氯化碳的蒸餾(2 g碘溶解于30 mL的四氯化碳中)

實驗現象:80 ℃水浴片刻，燒瓶中出現紫色蒸汽，錐形瓶中也開始收集到紫紅色的液體。最終燒瓶中殘留很少量的碘，大部分的碘和四氯化碳都被蒸出。用不同濃度碘的四氯化碳溶液，多次實驗，結果一樣。(碘在四氯化碳中，濃度大，溶液顏色偏紫;濃度小，顏色偏紅。)

實驗結論:常壓下，水浴加熱，常壓蒸餾不能將碘和四氯化碳分離。

實驗思考:I2熔點:114 ℃，沸點:184 ℃，而CCl4沸點:77 ℃，沸點相差107 ℃，理論上應該可以分離。那么是形成了共沸物了，還是有其他原因呢?眾所周知，碘易升華，碘粒微微加熱有會有明顯升華現象，會不會與碘易升華有關呢?

2.2實驗2將碘置于燒瓶中，水浴加熱

實驗現象:當水浴溫度到50 ℃時，燒瓶中已有少量紫色蒸汽，當水浴溫度到達77 ℃時，燒瓶中已經很多紫色蒸汽。

實驗結論:由于碘在77 ℃時較多升華，所以在四氯化碳沸點時，大部分的碘隨四氯化碳一起蒸出，常壓蒸餾不能分離碘和四氯化碳就能解釋了。

實驗思考:由于四氯化碳在常溫時也可以揮發，但碘在常溫下升華不明顯，將混合液置于常溫下，最終會不會只留下碘呢?

2.3實驗3將盛混合液(1 g碘和4 mL的四氯化碳)的試管置于通風櫥中，第二天進行觀察。

實驗現象:試管中僅留下了固體碘

實驗結論:利用自然揮發，能將二者分離。但四氯化碳損耗了，而且耗時且污染環境。

實驗思考:既然自然揮發可以分離，說明溫度是分離的關鍵，那么減壓可以降低四氯化碳的沸點，所以減壓蒸餾很可能能將二者分離。

2.4實驗4對碘和四氯化碳的混合液(2 g碘溶解于30 mL的四氯化碳中)進行減壓蒸餾

實驗現象:室溫下，壓力在10～15 mmHg，約8分鐘就將碘和四氯化碳分離開來

實驗結論:碘和四氯化碳可用減壓蒸餾來分離

實驗思考:碘和碘化鉀存在“I2+KI KI3”平衡，能否在碘和四氯化碳的混合液中加入碘化鉀，再進行常壓蒸餾來分離呢?

2.5實驗5在碘和四氯化碳的混合液(濃度同上)中加入碘化鉀固體，進行蒸餾

實驗現象:碘和四氯化碳一起被蒸出。

實驗結論:可能還是溫度太高，說明加入KI對該分離無效。

再使用“旋轉蒸發儀”進行蒸餾。(旋轉蒸發儀:類似減壓蒸餾，但減壓效果不如減壓蒸餾裝置)，結果在水浴溫度為30 ℃時，蒸出的液體無色，蒸餾燒瓶中殘留較多固體，說明二者得以分離，然后對燒瓶中的固體加熱，在燒瓶口用冷卻法收集到大量的固體。

3 化學方法分離的實驗探究

中學實驗不要求減壓蒸餾，而且學校也很少有減壓蒸餾裝置和旋轉蒸發儀，那么能否用其他方法分離呢?聯想到NaCl、MnO2和濃H2SO4可以制備氯氣，那么KI、MnO2和濃H2SO4能否加熱產生碘蒸汽，從而得到固體碘呢?

實驗6取0.2 g KI固體和0.2 g MnO2，置于一蒸發皿中，并滴入2～3滴濃H2SO4，加熱(裝置如圖3所示)。

實驗現象:蒸發皿內有大量的紫色蒸汽，表面皿底部有較多的紫黑色固體。

實驗結論:2KI+MnO2+3H2SO4=2KHSO4+MnSO4+2H2O+I2，該方法能得到較純的碘單質。

實驗思考:碘和四氯化碳的分離，可以先在混合液中加入氫氧化鈉溶液，將碘轉入水溶液中再分液，然后再加入亞硫酸鈉或亞硫酸氫鈉，將碘元素都轉化為碘離子，最后蒸干，在殘留固體中加入MnO2和濃H2SO4，并加熱，利用冷卻法就可以收集到碘單質。

4對1994年上海高考試題的再認識

通過上述的實驗和分析，我們用常壓蒸餾是不能把碘和四氯化碳分離開的。但試題的第(3)問中“從含碘的有機溶液中提取碘和回收有機溶劑，還需經過蒸餾”，這句話有沒有道理呢?從上面的實驗與分析中發現，分離的關鍵是溫度，只要溫度不到碘發生明顯升華的溫度就可以常壓蒸餾了。那么萃取碘時，有機溶劑能不能改用乙醚呢?因為其沸點只有34.5 ℃，該溫度下碘還不會明顯升華。

實驗7取2 g碘和20 mL的乙醚混合，置于蒸餾燒瓶中進行蒸餾(40 ℃的水浴加熱)

實驗現象:被蒸出的液體無色，碘留在了蒸餾燒瓶中。實驗中溫度不能過高(不要超過45 ℃)，否則會有部分碘被蒸出來。

實驗結論:碘和乙醚的分離可以用常壓蒸餾。

所以，1994年的上海高考試題，第(2)問， 如果添個“D.乙醚”選項，就完美了，后續的第(3)和(4)問，也就沒有爭議了。

另外，在中學實驗“從海帶中提取碘”時，建議把海帶用酒精灼燒成灰，然后用水浸泡一段時間后過濾，在濾液中加氧化劑以氧化出碘。至此，一方面可以加淀粉溶液，檢驗碘的生成;另一方面，可以加1 mL有機溶劑(如四氯化碳)萃取，觀察到淺紅色，說明有碘就可以了。因為從海帶中獲取到的碘很少，再做下去意義不大，既浪費試劑，又污染環境。