海产品中碘的提取与测定探究实验

张琦 卢凤琴 陈雷 孙艳涛

摘要：将STEM理念与数字化仪器相结合，从设计碘的提取工艺流程到探究不同海产品中碘的含量，可以有效衔接不同学科的知识。利用色度计对3g干海带中碘的提取条件进行优化，当灰化时间为40min、 H2SO4用量为300μL、氧化剂5% H2O2用量为1mL、萃取剂CCl4用量为15mL时提取的碘含量最多，实验现象最明显。同法测定了紫菜、海苔中的碘含量。在最优条件下的测定结果表明，碘的含量从大到小依次为干海带、紫菜、海苔。

关键词：STEM理念; 色度计; 海带; 碘的提取; 探究实验

文章编号：10056629（2021）11008005

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 引言

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称[1]。STEM的核心是学科整合，意在培养创新型的复合型人才。随着STEM教育的引入，我国的教育模式正逐渐发生改变，在培养学生方面更加注重其思考能力和创新能力的提升。然而，我国的STEM教育主要关注于一些社会实践课等，而应用于物理、化学和生物等初、高中课程的教学案例却较少。

手持技术即数字化手持技术实验，又称为掌上实验室，是由计算机和微电子技术相结合的新型数字化实验手段，它能将各种图形，根据坐标值，准确地输入电脑，并通过屏幕直观地呈现在实验者面前。随着当今课程改革的不断深入，运用数字化仪器对传统化学实验教学中不易捕捉到的实验现象和数据进行分析探究已成为当下教学发展的一种流行趋势[2]。本研究利用操作简单、便于携带的色度计优化海产品中碘的提取条件，对比不同海产品中碘的含量，将数字化实验技术应用到化学探究性实验中，整合数字化实验与STEM课堂教学，以期为各学科开展STEM理念的数字化探究性学习和教学提供实践参考。

2 STEM综合素养教学分析

在必修阶段，学生已经掌握了有关过滤、萃取等分离方法，本研究将数字化技术与STEM教学理念相结合，让学生自主查找文献资料，设计碘的提取流程;

通过探究影响因素，优化碘的提取工艺;对比不同海产品中碘的含量，养成合理膳食的生活习惯。有关STEM综合素养的教学分析如表1所示。

3 活动设计

3.1 课堂导入

植物中的一些有效成分在人们的生产生活中有着重要应用，例如海带中的碘是人体维持神经系统、保障正常代谢和智力发育的必需微量元素。碘作为基础工业原料和重要的战略物资，被广泛应用于食品医药、化工、农业、国防军事等领域[3]。海水中的碘含量非常少，但是，海洋中的一些动植物具有选择性吸收某种元素的能力，可以使碘富集到动植物体内，其中碘含量最多的植物就是海带。海带别名昆布，是生活中常见的一种海洋蔬菜，有“含碘冠军”的美誉。

通过在导入阶段播放PPT，创设教学情境，激发学生对从植物中提取碘的学习兴趣。

3.2 实验与过程

3.2.1 实验原理

海带主要成分有蛋白质、糖类、有机碘化物等有机物，另外，还含有少量的氯化钠、碳酸钠和碘化钠等无机盐[4]。采用高温灼烧，海带中的有机物转化为二氧化碳和水呈气态逸出;通过充分水浸使碘离子转移至溶液中;将灼烧后的海带灰进行过滤，得到澄清透明含有碘离子的水溶液;此时，向溶液中加入氧化剂将碘离子转化为单质碘（氧化反应的方程式如下），利用单质在不同溶剂中的溶解度不同，萃取出单质碘。工艺流程见图1。

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

通过教师讲解，不仅加深了学生对氧化还原、过滤和萃取等知识的理解与掌握，同时也让学生初步构建了“海带中碘的提取”工艺流程，为接下来的实验探究营造了教学氛围。

3.2.2 实验用品

药品： 干海带、紫菜、海苔、H2O2、 3mol/L H2SO4、酒精、CCl4、蒸馏水

仪器：剪刀、赛多利斯十万分之一电子天平、酒精灯、玻璃棒、蒸发皿、三脚架、烧杯、移液枪、漏斗、滤纸、胶头滴管、锥形瓶、分液漏斗、容量瓶、石英比色皿、擦镜纸、威尼尔色度计、威尼尔数据采集器、计算机

3.2.3 实验步骤

（1） 预处理：

将干海带用刷子刷净，剪成1～2cm大小左右的方块，准确称量3g置于蒸发皿中。处理过程中干海带不可用水清洗。

（2） 灰化：

采用酒精灯加热蒸发皿中的干海带，计时，停止加热，冷却。在通风橱进行加热，除去白烟和难闻的气味;加热过程中不断搅拌，使海带受热均匀，灰化速度加快。加热结束后将蒸发皿放在石棉网上自然冷卻，不能直接放在试验台上，防止蒸发皿骤冷导致破裂。

（3） 过滤：

将冷却后的海带灰转移到50mL小烧杯中，分两次加入共15mL的蒸馏水，静置后过滤。

（4） 氧化：

向滤液中加入3mol/L H2SO4、 H2O2溶液进行氧化还原反应。充分反应后将所得滤液转移到分液漏斗中。

（5） 萃取：

向分液漏斗中少量多次加入CCl4，振荡，静置。待溶液完全分层后，打开活塞，将碘的四氯化碳溶液从下口流出，其余溶液从上口倒出。

（6） 含量测定：

观察下层滤液颜色，采用色度计进行测量。把含碘的有机溶剂放入蒸馏烧瓶中，实验结束后进行回收处理。

3.2.4 测定方法的选择

传统“海带中碘的提取”实验主要利用碘在CCl4中的溶解度大于在水中的溶解度，通过人的肉眼观察CCl4层颜色深浅来确定碘的含量（目测法）。本实验利用色度计对颜色进行客观评价，从四个主要因素探究碘的最佳提取工艺。

色度计（见图2）是中学化学中一种常见的数字化仪器，它是根据溶液在特征波长处吸收光的强度来确定该物质的浓度，进行定性和定量分析。通过文献资料可知碘在CCl4中的最大吸收波长为515nm。威尼尔色度计可以测量的波长共有四个值，分别是430nm、 470nm、 565nm和635nm，为了使结果更加准确，选择470nm即更为接近碘在CCl4中的最大吸收波长进行测定。

3.2.5 提取工艺的优化

海带成分复杂，提取步骤繁多，实验成功率较低，往往没有现象或现象不明显。另外，传统实验教学中，学生按照教材设置好的参数进行操作，或者由教师课上演示，学生只作观察记录，这种重记忆、轻思维的教学模式不利于学生对知识深层次的理解以及科研创新能力的培养。从海带中提取碘的实验受诸多方面影响，本实验以工程实践为载体引导学生从以下四个方面（灰化时间、氧化剂的浓度、溶液的酸碱性和萃取剂用量）深度探究碘的提取工艺。通过优化每种影响因素，寻找最佳提取工艺，使学生真正理解和掌握探究的实质，提升学生分析和解决实际问题的能力。

3.2.5.1 灰化时间的影响

灰化时间过短无机碘不能够充分转化为有机碘;灰化时间过长会导致无机碘化物的流失。在3% H2O2 1mL、 3mol/L H2SO4 300μL和CCl4 5mL条件下，考察加热时间分别为20min、 30min、 40min、 50min和60min时对碘的提取效果的影响，结果见图3。

由图3可知，灰化时间在20～40min时，碘的含量随提取时间的增加而增大;灰化时间为40min时，碘的含量达到最大;灰化时间大于40min时，碘的含量逐渐降低。这可能是因为加热时间过长，海带中的无机碘化物共价性强，热稳定性差，受热易分解，易挥发，造成无机碘化物的流失[5]。因此，最佳灰化时间为40min。

3.2.5.2 溶液酸碱性的影响

由于海带灰的浸出液中含有K2CO3和Na2CO3等碱性物质，需要加酸酸化使溶液变为弱酸性，利于溶液中的碘离子转化成为碘单质。在3% H2O2 1mL、 CCl4 5mL和灰化时间为40min条件下，考察加入3mol/L H2SO4的体积分别为100μL、 200μL、 300μL、 400μL和500μL时对碘的提取效果的影响，结果见图4。

从图4中可以看出，随着H2SO4含量的增多，溶液的吸光度逐渐增大。当加入H2SO4的体积达到300μL后，溶液的吸光度变化不大，可知在该pH条件下碘的提取效果达到最佳。因此，加入3mol/L H2SO4最佳体积为300μL。

3.2.5.3 氧化剂的影响

碘在氧化时，常用的氧化剂有K2Cr2O7、 PbO2、 KMnO4、 Cl2、 H2O2和HNO3，由于H2O2安全、绿色、不污染环境被考虑作为首选氧化剂。在3mol/L H2SO4 300μL、 CCl4 5mL和灰化时间为40min条件下，选择1%、 3%、 5%、 7%和9%浓度的H2O2各1mL进行氧化，考察氧化剂浓度对碘的提取效果的影响，结果见图5。

由图5可知，随着加入过氧化氢浓度逐渐增加，溶液的吸光度逐渐增大，且达到一定值后趋于平衡，这是由于氧化剂达到一定浓度后可将溶液中的碘离子几乎全部氧化。因此，加入H2O2的最佳浓度为5%。

3.2.5.4 萃取剂的影响

常见碘的萃取剂有水、酒精、汽油和四氯化碳。本实验以水做溶剂，CCl4做萃取剂，在3mol/L H2SO4 300μL、 5% H2O2 1mL和灰化时间为40min条件下，分别加入5mL、 10mL、 15mL、 20mL和25mL的CCl4进行萃取，考察萃取剂的用量对碘提取效果的影响。

结果表明，当加入15mL的CCl4时，上层液体几乎没有颜色，说明溶液中的碘已经接近萃取完全。因此，确定CCl4萃取剂的用量为15mL。

通过实验探究，学生发现加热时间、加入硫酸的量、氧化剂的浓度和萃取剂的量对于碘的提取均有不同程度的影响。以3g海带为例，最佳提取条件为： 灰化时间40min;加酸量3mol/L H2SO4 300μL;氧化剂5% H2O2 1mL;萃取剂用量CCl4 15mL。在实验过程中我们发现，不同的酒精灯对海带加热灼烧程度不同，致使碘的提取含量也不同，所以在实验过程中应严格按照同一盏酒精灯对同一高度的蒸发皿进行灼烧。每组探究取三次实验平均值确保数据的准确性。

3.2.6 探究不同海产品中的碘

碘是人体必需微量元素之一，对保持人体正常生命活动十分重要[6]。科学研究表明，碘缺乏和碘过量均会对人体健康造成不同程度的影响，因此，合理控制摄入碘的量是十分必要的。由于紫菜和海苔中碘的含量较少，传统碘量法无法测出准确结果，故本研究利用操作简单、准确度高的色度计测定市面上常见的三种海产品（海带、紫菜和海苔）中碘的含量，引导学生关注食品安全，养成合理膳食的生活习惯。

3.2.6.1 绘制标准曲线

准确称取0.01072g单质碘，定容至10mL容量瓶中，移取0.01、 0.2、 0.4、 0.6和0.8mL的碘标准液分别加入2.99、 2.8、 2.6、 2.4和2.2mL的CCl4中，

分别得到浓度不同的碘标准液，

在470nm波长进行测定，绘制浓度和吸光度标准曲线图，结果见图6。

3.2.6.2 测定含量

分别在最佳提取条件下提取3g干海带、紫菜和海苔中的碘，根据标准曲线进行计算，平行三次，不同海产品中碘的含量见表2。

实验结果表明每克干海带、紫菜和海苔中分别含有7.50、 3.14和1.78μg碘。中国营养协会推荐成人每天碘的摄入量是150μg。一包海苔的净含量为6g，如果每克海苔含碘约2μg，每天吃15包海苔才可以为我们提供一天所需要的碘。另外，每克食用盐中碘的添加量为14～39μg，目前，我国居民每人每天加碘盐摄入量在10g左右[我国近年出台的《健康中国行动（2019—2030年）》提出合理膳食行动，提倡到2030年人均每日食盐摄入量不高于5g]，已经足够维持人体正常需求，因此，在日常生活中无需过度摄入海产品进行补碘。

4 总结与评价

本研究将STEM教学理念应用于中学数字化實验中，学生通过查阅文献设计方案、分析数据和处理结果

等教学环节，将称重、灼烧、溶解、过滤和萃取等一系列操作融入到碘的提取工艺流程中，在最佳提取工艺条件下测出不同海产品中碘的含量。基于STEM理念的数字化探究性学习具有知识跨界、场景多元、问题生成和创新驱动等特征，体现了育人为本、素养为核、情境为场、问题为纲、技术为翼等价值取向和发展趋势。

参考文献：

[1]蔡苏， 王沛文. 美国STEM教育中社会组织的作用及对我国的启示[J]. 中国电化教育， 2016， （10）： 74～78.

[2]陈琛， 董雄辎， 姚如富， 姚成立， 于博士. 数字化实验在化学教学中的应用研究[J]. 合肥师范学院学报， 2018， 36（3）： 78～81.

[3]张金水. 浅谈碘的提取[J]. 化学教学， 2018， （10）： 87～90.

[4]张乐坤. “碘的提取与检测”系列课堂学生活动设计[J]. 中学化学教学参考， 2007， （6）： 21～23.

[5]龙琪， 沈赟， 刘玉玲. 灰化法海带提碘实验中碘元素流失原因探析[J]. 化学教育（中英文）， 2019， 40（5）： 71～76.

[6]亓英丽， 卢巍. 面向技术教育的化学教学设计——以“海带制碘”为例[J]. 化学教学， 2018， （5）： 30～33.