定量审视中学化学中有关海水的系列问题

韩竹海

苏教版化学1（必修）专题2的标题是从海水中获得的化学物质，涉及从海水中获取NaCl，从海水中提取Mg等知识内容。学生从中认识了Cl、Br、I三种非金属和Na、Mg两种金属，并学习了氧化还原反应和离子反应两个基本概念。海水作为实实在在的物质，教师有必要引导学生从定量的角度审视海水，从而激发部分学生开发利用海洋资源的志趣。下面，笔者谈谈在这方面的一些思考，供大家参考。

1.海水中有哪些物质？各物质有多少？

海水的化学成分比较复杂，有水和溶解于水中的物质包括气体，迄今已发现这些混合物中所含的化学元素达80多种。每升海水超过100 mg的元素称为常量元素，最主要的常量元素有Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B 和 F共11种，约占化学元素总含量的99.8%～99.9%，因而也称主要元素，其他的元素含量很低，称作微量元素，有些极低的又称痕量元素，如金、银、镉等。尽管有些元素的含量很低，但是，由于海水的总量很多，因此，某些元素的总储量并不低，如海水中碘的总储量达8×1010t，可见，浩瀚的大海是一个巨大的藏宝地。溶解于海水中的化学元素绝大多数是以盐类离子的形式存在的，海水中几种主要离子的浓度（g/kg）见表1：

3.粗盐提纯中的钡试剂可以选用Ba（OH）2吗？

粗盐提纯即除去Ca2+、Mg2+、SO2-4三种杂质离子的过程，为了保证每种杂质离子被除尽，加入的沉淀剂（Na2CO3、NaOH、BaCl2）须过量，又为了把沉淀剂带进来的新的杂质离子除去，还要考虑沉淀剂的加入顺序，所以，BaCl2一定要在Na2CO3之前加入，至于NaOH的加入顺序则没有要求，故3种沉淀剂的加入有3种顺序，而不是6种。三步得到的沉淀可以最后一起过滤除去。有学生提出不妨将NaOH、BaCl2二合一，即选用Ba（OH）2以一顶两，起到一举两得的功效，一起将Mg2+、SO2-4两种离子除去。乍一看，没有什么问题，多数教师包括一些教学参考书上也认同这种作法。这样做究竟好不好呢？

还是假设取1 kg海水将水完全蒸发，由表1知道，得到的固体中Mg2+ 1.28 g、SO2-4 2.66 g，计算可得，Mg2+ 0.0533 mol、SO2-4 0.0277 mol，如果选用NaOH、BaCl2作为沉淀剂，消耗的NaOH、BaCl2分别是0.1066 mol、0.0277 mol，而用Ba（OH）2作为沉淀剂需消耗0.0533 mol，但是，SO2-4只需要消耗Ba2+ 0.0277 mol，有0.0256 mol Ba2+剩余，那么，后续就要增加消耗0.0256 mol的Na2CO3。可见，选用Ba（OH）2作为沉淀剂并没有讨巧。假如粗盐中Mg2+、SO2-4物质的量相等，那么选用Ba（OH）2作为沉淀剂可以同时将它们除尽，无需过多增加Na2CO3的用量。当然，这其中也涉及原料的价格因素，所以，实际生产中没有采用Ba（OH）2来替代NaOH和BaCl2。

4.从海水中提取镁，如何确定每一步的工艺？

海水中镁的总储量约为1.8×1015t，目前世界上生产的镁超过60%来自于海洋中。海水中镁均以离子形式存在，储量大、浓度小，那么如何将Mg2+从海水中分离出来？或者说转化为哪种沉淀再分离呢？

从表4可以看出，Mg（OH）2的溶解度很小，因此沉淀更完全而且沉淀的颗粒更大，过滤分离也更完全。那么是不是直接向海水中加碱呢？加什么碱呢？由表1知道海水中Mg2+浓度约为1.29 g/L，又知工业苦卤的浓度约为56 g/L，因而，可以配制0.05 mol/L、2.0 mol/L的MgCl2模拟海水和苦卤。可以完成表5中2组实验。

实验1直接往模拟海水中加沉淀剂，肉眼看不到白色沉淀，所以，不能直接往海水中加沉淀剂，应将海水先浓缩以提高海水中Mg2+的浓度。实验1和实验2中往模拟卤水中加碱，均产生明显的沉淀，考虑到Ca（OH）2价格便宜（见表6）而且Ca（OH）2可以由海边的贝壳中制得，故选择Ca（OH）2作为沉淀剂，为了使得沉淀充分，加入石灰乳沉淀效果更好。

从学生设计的方案中可以看出，学生知道活泼金属单质的制备采用电解法，那么，工业生产中为什么不电解MgO呢？事实上方案2的步骤少，要简便多了。因为电解的前提是电离，固体加热到熔融状态才可以电离，MgO的熔点比MgCl2高得多（见表7），所以，实际生产中为了降低电解的难度，还是宁愿步骤繁一点，采用方案1。

当学生自觉地引用数据来“说理”，进行研究性的学习，真正的学习也就发生了，化学作为一门基础性的自然学科承担着这样的学习使命！

（收稿日期：2014-12-10）