海產(chǎn)品中碘的提取與測(cè)定探究實(shí)驗(yàn)

張琦 盧鳳琴 陳雷 孫艷濤

摘要：將STEM理念與數(shù)字化儀器相結(jié)合，從設(shè)計(jì)碘的提取工藝流程到探究不同海產(chǎn)品中碘的含量，可以有效銜接不同學(xué)科的知識(shí)。利用色度計(jì)對(duì)3g干海帶中碘的提取條件進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)灰化時(shí)間為40min、 H2SO4用量為300μL、氧化劑5% H2O2用量為1mL、萃取劑CCl4用量為15mL時(shí)提取的碘含量最多，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最明顯。同法測(cè)定了紫菜、海苔中的碘含量。在最優(yōu)條件下的測(cè)定結(jié)果表明，碘的含量從大到小依次為干海帶、紫菜、海苔。

關(guān)鍵詞：STEM理念; 色度計(jì); 海帶; 碘的提取; 探究實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：10056629（2021）11008005

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱[1]。STEM的核心是學(xué)科整合，意在培養(yǎng)創(chuàng)新型的復(fù)合型人才。隨著STEM教育的引入，我國(guó)的教育模式正逐漸發(fā)生改變，在培養(yǎng)學(xué)生方面更加注重其思考能力和創(chuàng)新能力的提升。然而，我國(guó)的STEM教育主要關(guān)注于一些社會(huì)實(shí)踐課等，而應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物等初、高中課程的教學(xué)案例卻較少。

手持技術(shù)即數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，又稱為掌上實(shí)驗(yàn)室，是由計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，它能將各種圖形，根據(jù)坐標(biāo)值，準(zhǔn)確地輸入電腦，并通過屏幕直觀地呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)者面前。隨著當(dāng)今課程改革的不斷深入，運(yùn)用數(shù)字化儀器對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不易捕捉到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析探究已成為當(dāng)下教學(xué)發(fā)展的一種流行趨勢(shì)[2]。本研究利用操作簡(jiǎn)單、便于攜帶的色度計(jì)優(yōu)化海產(chǎn)品中碘的提取條件，對(duì)比不同海產(chǎn)品中碘的含量，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)中，整合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與STEM課堂教學(xué)，以期為各學(xué)科開展STEM理念的數(shù)字化探究性學(xué)習(xí)和教學(xué)提供實(shí)踐參考。

2 STEM綜合素養(yǎng)教學(xué)分析

在必修階段，學(xué)生已經(jīng)掌握了有關(guān)過濾、萃取等分離方法，本研究將數(shù)字化技術(shù)與STEM教學(xué)理念相結(jié)合，讓學(xué)生自主查找文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)碘的提取流程;

通過探究影響因素，優(yōu)化碘的提取工藝;對(duì)比不同海產(chǎn)品中碘的含量，養(yǎng)成合理膳食的生活習(xí)慣。有關(guān)STEM綜合素養(yǎng)的教學(xué)分析如表1所示。

3 活動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 課堂導(dǎo)入

植物中的一些有效成分在人們的生產(chǎn)生活中有著重要應(yīng)用，例如海帶中的碘是人體維持神經(jīng)系統(tǒng)、保障正常代謝和智力發(fā)育的必需微量元素。碘作為基礎(chǔ)工業(yè)原料和重要的戰(zhàn)略物資，被廣泛應(yīng)用于食品醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、國(guó)防軍事等領(lǐng)域[3]。海水中的碘含量非常少，但是，海洋中的一些動(dòng)植物具有選擇性吸收某種元素的能力，可以使碘富集到動(dòng)植物體內(nèi)，其中碘含量最多的植物就是海帶。海帶別名昆布，是生活中常見的一種海洋蔬菜，有“含碘冠軍”的美譽(yù)。

通過在導(dǎo)入階段播放PPT，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生對(duì)從植物中提取碘的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 實(shí)驗(yàn)與過程

3.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

海帶主要成分有蛋白質(zhì)、糖類、有機(jī)碘化物等有機(jī)物，另外，還含有少量的氯化鈉、碳酸鈉和碘化鈉等無機(jī)鹽[4]。采用高溫灼燒，海帶中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水呈氣態(tài)逸出;通過充分水浸使碘離子轉(zhuǎn)移至溶液中;將灼燒后的海帶灰進(jìn)行過濾，得到澄清透明含有碘離子的水溶液;此時(shí)，向溶液中加入氧化劑將碘離子轉(zhuǎn)化為單質(zhì)碘（氧化反應(yīng)的方程式如下），利用單質(zhì)在不同溶劑中的溶解度不同，萃取出單質(zhì)碘。工藝流程見圖1。

2I-+2H++H2O2I2+2H2O

通過教師講解，不僅加深了學(xué)生對(duì)氧化還原、過濾和萃取等知識(shí)的理解與掌握，同時(shí)也讓學(xué)生初步構(gòu)建了“海帶中碘的提取”工藝流程，為接下來的實(shí)驗(yàn)探究營(yíng)造了教學(xué)氛圍。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)用品

藥品： 干海帶、紫菜、海苔、H2O2、 3mol/L H2SO4、酒精、CCl4、蒸餾水

儀器：剪刀、賽多利斯十萬(wàn)分之一電子天平、酒精燈、玻璃棒、蒸發(fā)皿、三腳架、燒杯、移液槍、漏斗、濾紙、膠頭滴管、錐形瓶、分液漏斗、容量瓶、石英比色皿、擦鏡紙、威尼爾色度計(jì)、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)

3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 預(yù)處理：

將干海帶用刷子刷凈，剪成1～2cm大小左右的方塊，準(zhǔn)確稱量3g置于蒸發(fā)皿中。處理過程中干海帶不可用水清洗。

（2） 灰化：

采用酒精燈加熱蒸發(fā)皿中的干海帶，計(jì)時(shí)，停止加熱，冷卻。在通風(fēng)櫥進(jìn)行加熱，除去白煙和難聞的氣味;加熱過程中不斷攪拌，使海帶受熱均勻，灰化速度加快。加熱結(jié)束后將蒸發(fā)皿放在石棉網(wǎng)上自然冷卻，不能直接放在試驗(yàn)臺(tái)上，防止蒸發(fā)皿驟冷導(dǎo)致破裂。

（3） 過濾：

將冷卻后的海帶灰轉(zhuǎn)移到50mL小燒杯中，分兩次加入共15mL的蒸餾水，靜置后過濾。

（4） 氧化：

向?yàn)V液中加入3mol/L H2SO4、 H2O2溶液進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。充分反應(yīng)后將所得濾液轉(zhuǎn)移到分液漏斗中。

（5） 萃取：

向分液漏斗中少量多次加入CCl4，振蕩，靜置。待溶液完全分層后，打開活塞，將碘的四氯化碳溶液從下口流出，其余溶液從上口倒出。

（6） 含量測(cè)定：

觀察下層濾液顏色，采用色度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。把含碘的有機(jī)溶劑放入蒸餾燒瓶中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行回收處理。

3.2.4 測(cè)定方法的選擇

傳統(tǒng)“海帶中碘的提取”實(shí)驗(yàn)主要利用碘在CCl4中的溶解度大于在水中的溶解度，通過人的肉眼觀察CCl4層顏色深淺來確定碘的含量（目測(cè)法）。本實(shí)驗(yàn)利用色度計(jì)對(duì)顏色進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，從四個(gè)主要因素探究碘的最佳提取工藝。

色度計(jì)（見圖2）是中學(xué)化學(xué)中一種常見的數(shù)字化儀器，它是根據(jù)溶液在特征波長(zhǎng)處吸收光的強(qiáng)度來確定該物質(zhì)的濃度，進(jìn)行定性和定量分析。通過文獻(xiàn)資料可知碘在CCl4中的最大吸收波長(zhǎng)為515nm。威尼爾色度計(jì)可以測(cè)量的波長(zhǎng)共有四個(gè)值，分別是430nm、 470nm、 565nm和635nm，為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，選擇470nm即更為接近碘在CCl4中的最大吸收波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定。

3.2.5 提取工藝的優(yōu)化

海帶成分復(fù)雜，提取步驟繁多，實(shí)驗(yàn)成功率較低，往往沒有現(xiàn)象或現(xiàn)象不明顯。另外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生按照教材設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行操作，或者由教師課上演示，學(xué)生只作觀察記錄，這種重記憶、輕思維的教學(xué)模式不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)深層次的理解以及科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。從海帶中提取碘的實(shí)驗(yàn)受諸多方面影響，本實(shí)驗(yàn)以工程實(shí)踐為載體引導(dǎo)學(xué)生從以下四個(gè)方面（灰化時(shí)間、氧化劑的濃度、溶液的酸堿性和萃取劑用量）深度探究碘的提取工藝。通過優(yōu)化每種影響因素，尋找最佳提取工藝，使學(xué)生真正理解和掌握探究的實(shí)質(zhì)，提升學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

3.2.5.1 灰化時(shí)間的影響

灰化時(shí)間過短無機(jī)碘不能夠充分轉(zhuǎn)化為有機(jī)碘;灰化時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致無機(jī)碘化物的流失。在3% H2O2 1mL、 3mol/L H2SO4 300μL和CCl4 5mL條件下，考察加熱時(shí)間分別為20min、 30min、 40min、 50min和60min時(shí)對(duì)碘的提取效果的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，灰化時(shí)間在20～40min時(shí)，碘的含量隨提取時(shí)間的增加而增大;灰化時(shí)間為40min時(shí)，碘的含量達(dá)到最大;灰化時(shí)間大于40min時(shí)，碘的含量逐漸降低。這可能是因?yàn)榧訜釙r(shí)間過長(zhǎng)，海帶中的無機(jī)碘化物共價(jià)性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性差，受熱易分解，易揮發(fā)，造成無機(jī)碘化物的流失[5]。因此，最佳灰化時(shí)間為40min。

3.2.5.2 溶液酸堿性的影響

由于海帶灰的浸出液中含有K2CO3和Na2CO3等堿性物質(zhì)，需要加酸酸化使溶液變?yōu)槿跛嵝?，利于溶液中的碘離子轉(zhuǎn)化成為碘單質(zhì)。在3% H2O2 1mL、 CCl4 5mL和灰化時(shí)間為40min條件下，考察加入3mol/L H2SO4的體積分別為100μL、 200μL、 300μL、 400μL和500μL時(shí)對(duì)碘的提取效果的影響，結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看出，隨著H2SO4含量的增多，溶液的吸光度逐漸增大。當(dāng)加入H2SO4的體積達(dá)到300μL后，溶液的吸光度變化不大，可知在該pH條件下碘的提取效果達(dá)到最佳。因此，加入3mol/L H2SO4最佳體積為300μL。

3.2.5.3 氧化劑的影響

碘在氧化時(shí)，常用的氧化劑有K2Cr2O7、 PbO2、 KMnO4、 Cl2、 H2O2和HNO3，由于H2O2安全、綠色、不污染環(huán)境被考慮作為首選氧化劑。在3mol/L H2SO4 300μL、 CCl4 5mL和灰化時(shí)間為40min條件下，選擇1%、 3%、 5%、 7%和9%濃度的H2O2各1mL進(jìn)行氧化，考察氧化劑濃度對(duì)碘的提取效果的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，隨著加入過氧化氫濃度逐漸增加，溶液的吸光度逐漸增大，且達(dá)到一定值后趨于平衡，這是由于氧化劑達(dá)到一定濃度后可將溶液中的碘離子幾乎全部氧化。因此，加入H2O2的最佳濃度為5%。

3.2.5.4 萃取劑的影響

常見碘的萃取劑有水、酒精、汽油和四氯化碳。本實(shí)驗(yàn)以水做溶劑，CCl4做萃取劑，在3mol/L H2SO4 300μL、 5% H2O2 1mL和灰化時(shí)間為40min條件下，分別加入5mL、 10mL、 15mL、 20mL和25mL的CCl4進(jìn)行萃取，考察萃取劑的用量對(duì)碘提取效果的影響。

結(jié)果表明，當(dāng)加入15mL的CCl4時(shí)，上層液體幾乎沒有顏色，說明溶液中的碘已經(jīng)接近萃取完全。因此，確定CCl4萃取劑的用量為15mL。

通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)加熱時(shí)間、加入硫酸的量、氧化劑的濃度和萃取劑的量對(duì)于碘的提取均有不同程度的影響。以3g海帶為例，最佳提取條件為： 灰化時(shí)間40min;加酸量3mol/L H2SO4 300μL;氧化劑5% H2O2 1mL;萃取劑用量CCl4 15mL。在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，不同的酒精燈對(duì)海帶加熱灼燒程度不同，致使碘的提取含量也不同，所以在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照同一盞酒精燈對(duì)同一高度的蒸發(fā)皿進(jìn)行灼燒。每組探究取三次實(shí)驗(yàn)平均值確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2.6 探究不同海產(chǎn)品中的碘

碘是人體必需微量元素之一，對(duì)保持人體正常生命活動(dòng)十分重要[6]?？茖W(xué)研究表明，碘缺乏和碘過量均會(huì)對(duì)人體健康造成不同程度的影響，因此，合理控制攝入碘的量是十分必要的。由于紫菜和海苔中碘的含量較少，傳統(tǒng)碘量法無法測(cè)出準(zhǔn)確結(jié)果，故本研究利用操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高的色度計(jì)測(cè)定市面上常見的三種海產(chǎn)品（海帶、紫菜和海苔）中碘的含量，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注食品安全，養(yǎng)成合理膳食的生活習(xí)慣。

3.2.6.1 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

準(zhǔn)確稱取0.01072g單質(zhì)碘，定容至10mL容量瓶中，移取0.01、 0.2、 0.4、 0.6和0.8mL的碘標(biāo)準(zhǔn)液分別加入2.99、 2.8、 2.6、 2.4和2.2mL的CCl4中，

分別得到濃度不同的碘標(biāo)準(zhǔn)液，

在470nm波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，繪制濃度和吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，結(jié)果見圖6。

3.2.6.2 測(cè)定含量

分別在最佳提取條件下提取3g干海帶、紫菜和海苔中的碘，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行計(jì)算，平行三次，不同海產(chǎn)品中碘的含量見表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明每克干海帶、紫菜和海苔中分別含有7.50、 3.14和1.78μg碘。中國(guó)營(yíng)養(yǎng)協(xié)會(huì)推薦成人每天碘的攝入量是150μg。一包海苔的凈含量為6g，如果每克海苔含碘約2μg，每天吃15包海苔才可以為我們提供一天所需要的碘。另外，每克食用鹽中碘的添加量為14～39μg，目前，我國(guó)居民每人每天加碘鹽攝入量在10g左右[我國(guó)近年出臺(tái)的《健康中國(guó)行動(dòng)（2019—2030年）》提出合理膳食行動(dòng)，提倡到2030年人均每日食鹽攝入量不高于5g]，已經(jīng)足夠維持人體正常需求，因此，在日常生活中無需過度攝入海產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)碘。

4 總結(jié)與評(píng)價(jià)

本研究將STEM教學(xué)理念應(yīng)用于中學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)設(shè)計(jì)方案、分析數(shù)據(jù)和處理結(jié)果

等教學(xué)環(huán)節(jié)，將稱重、灼燒、溶解、過濾和萃取等一系列操作融入到碘的提取工藝流程中，在最佳提取工藝條件下測(cè)出不同海產(chǎn)品中碘的含量?；赟TEM理念的數(shù)字化探究性學(xué)習(xí)具有知識(shí)跨界、場(chǎng)景多元、問題生成和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)等特征，體現(xiàn)了育人為本、素養(yǎng)為核、情境為場(chǎng)、問題為綱、技術(shù)為翼等價(jià)值取向和發(fā)展趨勢(shì)。

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