Tách chiết Bromine từ nước biển: Phương pháp thổi khí — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Nồng độ bromine trong nước biển chỉ có 65 mg/L, làm thế nào để thu được một bình bromine lỏng?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: 2Br⁻ + Cl₂ = Br₂ + 2Cl⁻
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 10 — SGK GDPT 2018 · Chương Nhóm Halogen · Điều chế và ứng dụng của các đơn chất halogen
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (7 bước)
- Bước 1 (Toàn dây chuyền): Hàm lượng bromine trong nước biển chỉ có 65 mg/L, tại sao không thể đun sôi nước biển để chưng cất trực tiếp? — Kết luận: Nồng độ bromine quá loãng (65 mg/L), đun bay hơi toàn bộ khối lượng nước biển khổng lồ là bất khả thi về kinh tế; trong công nghiệp dùng tổ hợp «Oxi hóa—Thổi khí—Hấp thụ» để làm giàu bromine gấp 255 lần trước, sau đó mới clo hóa lần hai và chưng cất. |
Br⁻ → Br₂ → HBr → Br₂ → Bromine lỏng - Bước 2 (Acid hóa): Nước biển tự nhiên hơi kiềm/gần trung tính, tại sao bắt buộc phải thêm sulfuric acid để acid hóa trước? — Kết luận: Nước biển gần trung tính (hơi kiềm nhẹ), cả Br₂ và Cl₂ đều xảy ra phản ứng tự oxi hóa - khử với nước/kiềm làm thất thoát bromine và tiêu hao chlorine vô ích; phải acid hóa về pH 3.5 để bromine tồn tại ở dạng phân tử Br₂ tự do thì mới thổi tách ra được. |
Br₂ + 2OH⁻ = Br⁻ + BrO⁻ + H₂O - Bước 3 (Oxi hóa): Công đoạn sục khí chlorine (Cl₂) thực chất đã biến đổi bromine thành dạng gì? — Kết luận: Tính oxi hóa của Cl₂ mạnh hơn Br₂ (trong nhóm halogen, từ trên xuống dưới tính phi kim giảm dần): 2Br⁻ + Cl₂ = Br₂ + 2Cl⁻, số oxi hóa của Br tăng từ −1 lên 0; khí Cl₂ được sục theo tỉ lệ 1.1 lần lí thuyết, nếu dư quá nhiều sẽ làm bromine lỏng bị lẫn Cl₂ (độ tinh khiết giảm từ 95.0 → 72.5 %). |
2Br⁻ + Cl₂ = Br₂ + 2Cl⁻ - Bước 4 (Thổi khí): Phân tử Br₂ đã tạo thành trong nước rồi, tại sao lại phải dùng một lượng lớn không khí nóng để thổi nó đi? — Kết luận: Br₂ có nhiệt độ sôi thấp (chỉ 58.8 ℃) và rất dễ bay hơi; khi nâng nhiệt độ nước biển lên 80 ℃ và thổi không khí ngược chiều từ dưới lên với tỉ lệ khí/nước là 300:1, bromine chuyển từ pha lỏng sang pha khí. Nếu nhiệt độ thấp thì không thổi tách ra hết được. |
Br₂(dung dịch) → Br₂(g) (thổi tách bằng không khí) - Bước 5 (Hấp thụ): Hỗn hợp khí bromine thổi ra vẫn còn rất loãng trong không khí, làm thế nào để biến nó thành dung dịch đậm đặc đem đi chưng cất? — Kết luận: Dùng dung dịch SO₂ để khử và hấp thụ Br₂: Br₂ + SO₂ + 2H₂O = 2HBr + H₂SO₄ (Br từ 0→−1, S từ +4→+6); thể tích dung dịch hấp thụ chỉ bằng 1/300 thể tích nước biển ban đầu nên nồng độ bromine được khuếch đại gấp 255 lần — bước này chính là khâu «làm giàu». |
Br₂ + SO₂ + 2H₂O = 2HBr + H₂SO₄ - Bước 6 (Tinh chế): Trong dung dịch hấp thụ lúc này là HBr (Br⁻), làm thế nào để chuyển lại thành bromine lỏng nguyên chất? — Kết luận: Sục khí Cl₂ lần thứ hai vào dung dịch hấp thụ: 2HBr + Cl₂ = Br₂ + 2HCl (Br từ −1→0), sau đó chưng cất (nhiệt độ sôi của Br₂ là 58.8 ℃) để tách Br₂ khỏi H₂SO₄ và nước, ngưng tụ thu được bromine lỏng; tính trên toàn quy trình, để điều chế 1 mol Br₂ theo lí thuyết cần 2 mol Cl₂ và 1 mol SO₂. |
2HBr + Cl₂ = Br₂ + 2HCl → Chưng cất ở 58.8 ℃ - Bước 7 (Thực hành đánh giá): Kiểm tra: Bạn làm trưởng ca vận hành — Kết luận: Đưa tất cả các thông số vận hành vào vùng tối ưu: pH 3.5, tỉ lệ Cl₂ 1.05, nhiệt độ thổi 85 ℃, tỉ lệ khí/nước 350. |
Hiệu suất thu hồi = η_oxi_hóa × η_thổi × η_hấp_thụ × η_chưng_cất
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Tách chiết Bromine từ nước biển: Phương pháp thổi khí · Trang chủ VietLab 3D