工业流程中的萃取与反萃取教学策略研究*

贾红梅

（江阴市教师发展中心 江苏无锡 214400）

萃取分离是工业流程中常见的物质分离和富集方法。《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》要求“初步学会物质检验、分离、提纯和溶液配制等化学实验基础知识和基本技能”［1］。新版人教版教材在选择性必修3第一章第二节研究有机化合物的一般方法中相关内容叙述为“萃取包括液-液萃取和固-液萃取。液-液萃取是利用待分离组分在两种互不相溶的溶剂中的溶解性不同，将其从—种溶剂转移到另一种溶剂的过程［2］”。萃取目标物质后的有机相需要进一步分离以达到工业生产目的并实现萃取剂的回收利用。

一、工业流程中的萃取

1.溶解型萃取

例题1：从海带中提取碘的流程如图1所示，经灼烧、浸泡、过滤、氧化后得到的含I2溶液中含有硫酸盐、碳酸盐等杂质，思考如何由含I2溶液得到单质I2？

图1 从海带中提取碘的流程

流程中第⑤步是萃取分液。CCl4是常用的萃取剂，I2和CCl4均为非极性分子，H2O 是极性分子，根据“相似相溶”原理，与原溶剂H2O相比，I2在CCl4中的溶解度更大，碘水中加入CCl4振荡后，I2会从水相转移溶解到有机相中。教师可引导学生思考为何不选择乙醇作萃取剂呢？乙醇是很好的有机溶剂，I2在乙醇中的溶解度较大，但是乙醇与水互溶，无法实现分离，因此，萃取剂要与原溶剂互不相溶。

流程中第⑥步是什么操作呢？许多学生的答案是蒸馏。运用蒸馏的方法，可以分离沸点相差较大的液体混合物，也可以除去水等液体中难挥发或不挥发的杂质［3］。碘的沸点为184.4 ℃，CCl4的沸点为76.8 ℃［4］，看似两者沸点相差较大，然而根据碘升华实验结果显示，碘从45 ℃开始升华，到77 ℃升华管内已充满紫红色的碘蒸气，无法通过蒸馏分离I2与CCl4。因此，如何分离I2与CCl4是学生对本流程产生的疑问。

2.反应型萃取

近年来的化工流程题主要以无机化合物的制备为载体，其中金属阳离子的转化与分离是主线之一［5］。利用特定的有机溶剂，控制一定的条件可实现金属阳离子与其他阳离子的分离。

例题2：可通过如图2 所示过程回收废电极中钴元素并制取Co3O4。

图2 回收废电极中钴元素并制取Co3O4的流程

酸浸还原后所得溶液中含Li+、Co2+、Ni2+和等。请补充完整萃取Co2+的实验方案：将所得物质过滤，____________，向溶液中分批次加入萃取剂，充分振荡后静置分液，取有机层，将每次所得有机层合并。（实验中可选用的试剂有NaOH溶液、稀硫酸）。已知：①萃取剂是RH 和煤油的混合物，RH 与Co2+可发生如下反应：易溶于煤油，难溶于水）；②萃取剂对Co2+、Ni2+的萃取率与pH的关系如图3所示。

图3 萃取剂对Co2+、Ni2+的萃取率与pH的关系

查阅相关文献发现目前已经实现工业应用的萃取剂有脂肪酸、叔胺、磷（膦）类、螯合型萃取剂等。如p-507名为2-乙基己基磷酸单-2-乙基己基酯，是一种酸性磷酸型萃取剂，其结构式如图4所示［6］。

图4 p-507（2-乙基己基磷酸单-2-乙基己基酯）的结构

将萃取剂p-507简写成题干中的RH，其中的H对应p-507结构中的羟基H。所有金属阳离子在水溶液中都是以水分子为配体的配合物形式存在的［7］。以Co2+为例，Co2+在水相中以水合钴离子形式存在，具有亲水性，加入RH和煤油的混合物后，带正电荷的水合钴离子转化为不带电荷的疏水性配合物CoR2，CoR2溶于煤油而实现钴元素由水相转移到有机相中。本例题的萃取方式与例题1中CCl4萃取碘水中I2的原理不同，在萃取过程中萃取剂RH与被萃取微粒发生了反应，使亲水的水合离子转化为疏水的配合物。根据Co2+和Ni2+的pH-萃取率图像，可知通过调节溶液的酸碱性可以实现选择性萃取，推知本题答案：向所得滤液中加入NaOH溶液，控制溶液的pH在5～5.5之间。

萃取剂的选择是萃取金属阳离子的重要环节，尤其当溶液中出现多种可被萃取的金属阳离子时，要根据已知信息分析不同萃取剂对不同离子萃取的条件，选择合适的萃取剂实现选择性萃取。

例题3：已知萃取剂A、B 中pH 对钴、锰离子萃取率的影响如图5 所示，为了除去Mn2+，应选择萃取剂______。

图5 萃取剂A、B中pH对钴、锰离子萃取率的影响

若选用萃取剂A，Mn2+和Co2+随pH 萃取率变化趋势一致且萃取率相差不大，无法实现两者的有效分离，因此应选择萃取剂B。

二、工业流程中的反萃取

1.反萃取的原理

上述例题1流程第⑥步如何实现I2和CCl4的分离呢？可利用浓NaOH 溶液将I2转化为易溶于水的NaI和NaIO3，通过分液实现CCl4的回收利用，向含I-和的水溶液中加入H2SO4溶液，得到含I2的悬浊液，经过滤即可获得固态单质I2，流程如图6所示。

图6 I2的CCl4溶液分离流程

流程中的第①步实现了将碘元素从有机相转移入水相，这是卤素的反萃取过程。

上述例题2中经过RH的萃取及有机溶剂煤油的溶解，分液后得到了含CoR2和煤油的有机混合物，如何从有机相中进一步分离出Co2+呢？根据反应，向混合物中加入硫酸溶液，增大溶液中氢离子浓度，促进上述平衡向逆反应方向移动，根据图3 信息可知，当调至pH＜1.5 时，Co2+的萃取率极低，CoR2配合物被大量破坏，Co2+重新形成亲水性的水合离子回到水相中，这是金属阳离子的反萃取过程。

2.反萃取剂的选择

从I2的CCl4溶液中反萃取碘元素，即选择一种试剂将碘单质转化为易溶于水的含碘离子，从而与CCl4分离，除了选择使用NaOH溶液作为反萃取剂外，也可以选用其他试剂如Na2SO3溶液，从含碘废液（含有CCl4、I2、I-等）中回收碘的流程如图7 所示，第一步还原即为反萃取的过程。

图7 从含碘废液中回收碘的流程

3.pH条件的控制

例题4：萃取剂对Al3+、Co2+萃取率与pH的关系如图8所示。利用萃取钴、铝离子后的有机相重新分离得到CoSO4溶液和Al2（SO4）3溶液的实验操作：向萃取Al3+、Co2+后的有机相中加稀硫酸。

图8 萃取剂对Al3+、Co2+萃取率与pH的关系

本题要把握几个关键点：若调节pH=0.5，有机萃取剂对Al3+和Co2+的萃取率均较低，得到的是Al3+和Co2+的混合水溶液；若控制pH=1.5，Co2+的萃取率约为15%，有约85%的Co2+在水溶液中，Al3+萃取率约为60%，有约40%的Al3+在水溶液中；若pH为3～4，Al3+的萃取率接近100%，即水溶液中几乎不含Al3+，此时Co2+的萃取率为20%～30%，即有约70%～80%的Co2+在水溶液中。为了使两种离子充分分离，应控制pH 在3～4，此时两种离子的萃取率相差最大。本题操作为向萃取Al3+、Co2+后的有机相中加稀硫酸至pH为3～4，振荡、静置、分液，取水相即为CoSO4溶液，向分液后的有机相中加稀硫酸至pH约为0.5，振荡、静置、分液即得Al2（SO4）3溶液。

三、工业流程中的萃取与反萃取教学策略

现以2022年江苏高考第16题的流程为例梳理工业流程中的萃取与反萃取教学策略。

例题5：实验室以二氧化铈（CeO2）废渣为原料制备Cl-含量少的Ce2（CO3）3，其部分实验过程如图9 所示。

图9 以二氧化铈废渣为原料制备Cl-含量少的Ce2（CO3）3的流程

通过酸浸、中和、萃取、反萃取、沉淀等过程，可制备Cl-含量少的Ce2（CO3）3。已知Ce3+能被有机萃取剂（简称HA）萃取，其萃取原理可表示为Ce3+（水层）+

1.分析转化，明确目的

本流程以二氧化铈（CeO2）废渣为原料制备Cl-含量少的Ce2（CO3）3，“酸浸”过程中CeO2在酸性条件下被H2O2还原为Ce3+，“中和”过程加入氨水中和部分氢离子后，为何不直接沉淀Ce3+而需要萃取与反萃取呢？教师要引导学生思考这样两个问题：溶液中的阳离子仅为Ce3+、和少量H+吗？溶液中的阴离子对产物的制备有影响吗？二氧化铈废渣的主要成分为CeO2，但废渣往往含有除铈以外的其他金属元素，酸浸后产生的金属阳离子也会形成碳酸盐沉淀而使目标产物不纯。酸浸后的溶液中含有大量Cl-，在Ce3+沉淀过程中会夹杂在生成的Ce2（CO3）3沉淀中，无法得到Cl-含量少的Ce2（CO3）3。综合以上两点，萃取与反萃取两个过程的目的是分离提纯Ce3+。

2.提取信息，明辨原理

根据题目中给出的原理方程式可知金属阳离子使用有机物HA 萃取与反萃取是两个相反的过程，加氨水中和溶液中的H+，促进平衡向正反应方向移动，将Ce3+转化为CeA3进入有机相，经分液操作实现含铈元素的有机相与水相的分离；在含铈元素的有机相中加入稀硝酸，增大H+浓度，促进平衡向逆反应方向移动，铈元素重新回到水溶液中。经过萃取与反萃取两个步骤实现了Ce3+与其他干扰离子的分离，防止溶液中可能存在的其他金属阳离子或者阴离子（如Cl-等）影响沉淀后所得产品Ce2（CO3）3的纯度。

3.适当迁移，明晰操作

在实际操作过程中，如何实现从酸浸液中尽可能多地分离出Ce3+呢？教师要引导学生将使用CCl4萃取碘水中碘的具体操作迁移到金属阳离子的萃取与反萃取中。比如少量而多次加入萃取剂萃取；加入萃取剂后充分振荡；萃取后不要立即分离，静置一段时间，待有机相与水相之间出现清晰界面后再进行分液。若将以上认知迁移到本题中反萃取的实验操作，为使Ce3+尽可能多地从萃取后的有机相转移到水相，可选择的实验条件或采取的实验操作有：加入稀硝酸后充分振荡；用稀硝酸多次反萃取；适当增大加入稀硝酸的浓度。当然，反萃取后也需要静置一段时间再进行分液操作。

综上所述，萃取与反萃取是物质分离与提纯的重要方法，在工业流程中对富集目标元素和提高目标产物的纯度有重要的意义。教师要引导学生分析流程中的各步物质转化，感受萃取与反萃取的价值；提取已知信息辨析变化的原理，实现不同类型萃取与反萃取的调控；迁移相关操作明确实施途径，完善萃取与反萃取操作步骤与操作规范。在面对复杂工业流程情境时，针对特定问题，加强类比思维、探究思维、有序思维和逻辑推理思维的训练［8］。本文选择了典型例题并结合高考真题，对工业流程中的萃取与反萃取做了详细分析，以期为高中生解决相关问题提供思路与方法。