工業流程中的萃取與反萃取教學策略研究*

賈紅梅

（江陰市教師發展中心 江蘇無錫 214400）

萃取分離是工業流程中常見的物質分離和富集方法?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017 年版2020 年修訂）》要求“初步學會物質檢驗、分離、提純和溶液配制等化學實驗基礎知識和基本技能”［1］。新版人教版教材在選擇性必修3第一章第二節研究有機化合物的一般方法中相關內容敘述為“萃取包括液-液萃取和固-液萃取。液-液萃取是利用待分離組分在兩種互不相溶的溶劑中的溶解性不同，將其從—種溶劑轉移到另一種溶劑的過程［2］”。萃取目標物質后的有機相需要進一步分離以達到工業生產目的并實現萃取劑的回收利用。

一、工業流程中的萃取

1.溶解型萃取

例題1：從海帶中提取碘的流程如圖1所示，經灼燒、浸泡、過濾、氧化后得到的含I2溶液中含有硫酸鹽、碳酸鹽等雜質，思考如何由含I2溶液得到單質I2？

圖1 從海帶中提取碘的流程

流程中第⑤步是萃取分液。CCl4是常用的萃取劑，I2和CCl4均為非極性分子，H2O 是極性分子，根據“相似相溶”原理，與原溶劑H2O相比，I2在CCl4中的溶解度更大，碘水中加入CCl4振蕩后，I2會從水相轉移溶解到有機相中。教師可引導學生思考為何不選擇乙醇作萃取劑呢？乙醇是很好的有機溶劑，I2在乙醇中的溶解度較大，但是乙醇與水互溶，無法實現分離，因此，萃取劑要與原溶劑互不相溶。

流程中第⑥步是什么操作呢？許多學生的答案是蒸餾。運用蒸餾的方法，可以分離沸點相差較大的液體混合物，也可以除去水等液體中難揮發或不揮發的雜質［3］。碘的沸點為184.4 ℃，CCl4的沸點為76.8 ℃［4］，看似兩者沸點相差較大，然而根據碘升華實驗結果顯示，碘從45 ℃開始升華，到77 ℃升華管內已充滿紫紅色的碘蒸氣，無法通過蒸餾分離I2與CCl4。因此，如何分離I2與CCl4是學生對本流程產生的疑問。

2.反應型萃取

近年來的化工流程題主要以無機化合物的制備為載體，其中金屬陽離子的轉化與分離是主線之一［5］。利用特定的有機溶劑，控制一定的條件可實現金屬陽離子與其他陽離子的分離。

例題2：可通過如圖2 所示過程回收廢電極中鈷元素并制取Co3O4。

圖2 回收廢電極中鈷元素并制取Co3O4的流程

酸浸還原后所得溶液中含Li+、Co2+、Ni2+和等。請補充完整萃取Co2+的實驗方案：將所得物質過濾，____________，向溶液中分批次加入萃取劑，充分振蕩后靜置分液，取有機層，將每次所得有機層合并。（實驗中可選用的試劑有NaOH溶液、稀硫酸）。已知：①萃取劑是RH 和煤油的混合物，RH 與Co2+可發生如下反應：易溶于煤油，難溶于水）；②萃取劑對Co2+、Ni2+的萃取率與pH的關系如圖3所示。

圖3 萃取劑對Co2+、Ni2+的萃取率與pH的關系

查閱相關文獻發現目前已經實現工業應用的萃取劑有脂肪酸、叔胺、磷（膦）類、螯合型萃取劑等。如p-507名為2-乙基己基磷酸單-2-乙基己基酯，是一種酸性磷酸型萃取劑，其結構式如圖4所示［6］。

圖4 p-507（2-乙基己基磷酸單-2-乙基己基酯）的結構

將萃取劑p-507簡寫成題干中的RH，其中的H對應p-507結構中的羥基H。所有金屬陽離子在水溶液中都是以水分子為配體的配合物形式存在的［7］。以Co2+為例，Co2+在水相中以水合鈷離子形式存在，具有親水性，加入RH和煤油的混合物后，帶正電荷的水合鈷離子轉化為不帶電荷的疏水性配合物CoR2，CoR2溶于煤油而實現鈷元素由水相轉移到有機相中。本例題的萃取方式與例題1中CCl4萃取碘水中I2的原理不同，在萃取過程中萃取劑RH與被萃取微粒發生了反應，使親水的水合離子轉化為疏水的配合物。根據Co2+和Ni2+的pH-萃取率圖像，可知通過調節溶液的酸堿性可以實現選擇性萃取，推知本題答案：向所得濾液中加入NaOH溶液，控制溶液的pH在5～5.5之間。

萃取劑的選擇是萃取金屬陽離子的重要環節，尤其當溶液中出現多種可被萃取的金屬陽離子時，要根據已知信息分析不同萃取劑對不同離子萃取的條件，選擇合適的萃取劑實現選擇性萃取。

例題3：已知萃取劑A、B 中pH 對鈷、錳離子萃取率的影響如圖5 所示，為了除去Mn2+，應選擇萃取劑______。

圖5 萃取劑A、B中pH對鈷、錳離子萃取率的影響

若選用萃取劑A，Mn2+和Co2+隨pH 萃取率變化趨勢一致且萃取率相差不大，無法實現兩者的有效分離，因此應選擇萃取劑B。

二、工業流程中的反萃取

1.反萃取的原理

上述例題1流程第⑥步如何實現I2和CCl4的分離呢？可利用濃NaOH 溶液將I2轉化為易溶于水的NaI和NaIO3，通過分液實現CCl4的回收利用，向含I-和的水溶液中加入H2SO4溶液，得到含I2的懸濁液，經過濾即可獲得固態單質I2，流程如圖6所示。

圖6 I2的CCl4溶液分離流程

流程中的第①步實現了將碘元素從有機相轉移入水相，這是鹵素的反萃取過程。

上述例題2中經過RH的萃取及有機溶劑煤油的溶解，分液后得到了含CoR2和煤油的有機混合物，如何從有機相中進一步分離出Co2+呢？根據反應，向混合物中加入硫酸溶液，增大溶液中氫離子濃度，促進上述平衡向逆反應方向移動，根據圖3 信息可知，當調至pH＜1.5 時，Co2+的萃取率極低，CoR2配合物被大量破壞，Co2+重新形成親水性的水合離子回到水相中，這是金屬陽離子的反萃取過程。

2.反萃取劑的選擇

從I2的CCl4溶液中反萃取碘元素，即選擇一種試劑將碘單質轉化為易溶于水的含碘離子，從而與CCl4分離，除了選擇使用NaOH溶液作為反萃取劑外，也可以選用其他試劑如Na2SO3溶液，從含碘廢液（含有CCl4、I2、I-等）中回收碘的流程如圖7 所示，第一步還原即為反萃取的過程。

圖7 從含碘廢液中回收碘的流程

3.pH條件的控制

例題4：萃取劑對Al3+、Co2+萃取率與pH的關系如圖8所示。利用萃取鈷、鋁離子后的有機相重新分離得到CoSO4溶液和Al2（SO4）3溶液的實驗操作：向萃取Al3+、Co2+后的有機相中加稀硫酸。

圖8 萃取劑對Al3+、Co2+萃取率與pH的關系

本題要把握幾個關鍵點：若調節pH=0.5，有機萃取劑對Al3+和Co2+的萃取率均較低，得到的是Al3+和Co2+的混合水溶液；若控制pH=1.5，Co2+的萃取率約為15%，有約85%的Co2+在水溶液中，Al3+萃取率約為60%，有約40%的Al3+在水溶液中；若pH為3～4，Al3+的萃取率接近100%，即水溶液中幾乎不含Al3+，此時Co2+的萃取率為20%～30%，即有約70%～80%的Co2+在水溶液中。為了使兩種離子充分分離，應控制pH 在3～4，此時兩種離子的萃取率相差最大。本題操作為向萃取Al3+、Co2+后的有機相中加稀硫酸至pH為3～4，振蕩、靜置、分液，取水相即為CoSO4溶液，向分液后的有機相中加稀硫酸至pH約為0.5，振蕩、靜置、分液即得Al2（SO4）3溶液。

三、工業流程中的萃取與反萃取教學策略

現以2022年江蘇高考第16題的流程為例梳理工業流程中的萃取與反萃取教學策略。

例題5：實驗室以二氧化鈰（CeO2）廢渣為原料制備Cl-含量少的Ce2（CO3）3，其部分實驗過程如圖9 所示。

圖9 以二氧化鈰廢渣為原料制備Cl-含量少的Ce2（CO3）3的流程

通過酸浸、中和、萃取、反萃取、沉淀等過程，可制備Cl-含量少的Ce2（CO3）3。已知Ce3+能被有機萃取劑（簡稱HA）萃取，其萃取原理可表示為Ce3+（水層）+

1.分析轉化，明確目的

本流程以二氧化鈰（CeO2）廢渣為原料制備Cl-含量少的Ce2（CO3）3，“酸浸”過程中CeO2在酸性條件下被H2O2還原為Ce3+，“中和”過程加入氨水中和部分氫離子后，為何不直接沉淀Ce3+而需要萃取與反萃取呢？教師要引導學生思考這樣兩個問題：溶液中的陽離子僅為Ce3+、和少量H+嗎？溶液中的陰離子對產物的制備有影響嗎？二氧化鈰廢渣的主要成分為CeO2，但廢渣往往含有除鈰以外的其他金屬元素，酸浸后產生的金屬陽離子也會形成碳酸鹽沉淀而使目標產物不純。酸浸后的溶液中含有大量Cl-，在Ce3+沉淀過程中會夾雜在生成的Ce2（CO3）3沉淀中，無法得到Cl-含量少的Ce2（CO3）3。綜合以上兩點，萃取與反萃取兩個過程的目的是分離提純Ce3+。

2.提取信息，明辨原理

根據題目中給出的原理方程式可知金屬陽離子使用有機物HA 萃取與反萃取是兩個相反的過程，加氨水中和溶液中的H+，促進平衡向正反應方向移動，將Ce3+轉化為CeA3進入有機相，經分液操作實現含鈰元素的有機相與水相的分離；在含鈰元素的有機相中加入稀硝酸，增大H+濃度，促進平衡向逆反應方向移動，鈰元素重新回到水溶液中。經過萃取與反萃取兩個步驟實現了Ce3+與其他干擾離子的分離，防止溶液中可能存在的其他金屬陽離子或者陰離子（如Cl-等）影響沉淀后所得產品Ce2（CO3）3的純度。

3.適當遷移，明晰操作

在實際操作過程中，如何實現從酸浸液中盡可能多地分離出Ce3+呢？教師要引導學生將使用CCl4萃取碘水中碘的具體操作遷移到金屬陽離子的萃取與反萃取中。比如少量而多次加入萃取劑萃??；加入萃取劑后充分振蕩；萃取后不要立即分離，靜置一段時間，待有機相與水相之間出現清晰界面后再進行分液。若將以上認知遷移到本題中反萃取的實驗操作，為使Ce3+盡可能多地從萃取后的有機相轉移到水相，可選擇的實驗條件或采取的實驗操作有：加入稀硝酸后充分振蕩；用稀硝酸多次反萃??；適當增大加入稀硝酸的濃度。當然，反萃取后也需要靜置一段時間再進行分液操作。

綜上所述，萃取與反萃取是物質分離與提純的重要方法，在工業流程中對富集目標元素和提高目標產物的純度有重要的意義。教師要引導學生分析流程中的各步物質轉化，感受萃取與反萃取的價值；提取已知信息辨析變化的原理，實現不同類型萃取與反萃取的調控；遷移相關操作明確實施途徑，完善萃取與反萃取操作步驟與操作規范。在面對復雜工業流程情境時，針對特定問題，加強類比思維、探究思維、有序思維和邏輯推理思維的訓練［8］。本文選擇了典型例題并結合高考真題，對工業流程中的萃取與反萃取做了詳細分析，以期為高中生解決相關問題提供思路與方法。