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(非金屬元素)

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碘(Iodine),非金屬元素,元素符號I,元素週期表53號元素,在化學元素週期表中位於第5週期,系ⅦA族,鹵族元素之一。1811年法國藥劑師庫特瓦首次發現單質碘。單質碘呈紫黑色晶體,易昇華,昇華後易凝華,有毒性和腐蝕性。單質碘遇澱粉會變藍紫色。主要用於製藥物、染料、碘酒、試紙和碘化合物等。
碘是人體的必需微量元素之一,健康成人體內的碘的總量為30毫克(20~50毫克),國家規定在食鹽中添加碘的標準為20-30毫克/千克。
2021年,碘動力航天器首次完成在軌測試。
中文名
外文名
Iodine
化學式
I2
分子量
253.8
CAS登錄號
7553-56-2
EINECS登錄號
231-442-4
熔    點
113 ℃
沸    點
184 ℃
水溶性
0.3g/L(20℃)
密    度
4.93 g/cm³
外    觀
紫黑色閃亮晶體
應    用
製造藥物、染料、碘酒、試紙和碘化物等
安全性描述
S26;S61;S25;S23
危險性符號
R20/21;R50
危險性描述
Xn;N
UN危險貨物編號
1759 [1] 
原子量
126.9
元素符號
I
元素類別
鹵素
週    期
第五週期
VII A族
原子序數
53
電子排布
[Kr]4d105s25p5
p區
原子半徑
140pm
化合價
-1,0,+1,+3,+5,+7

發現簡史

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碘單質 碘單質
18世紀末和19世紀初,法國皇帝拿破崙發動戰爭,需要大量硝酸鉀製造火藥。當時歐洲的硝酸鉀礦多取自印度,但是儲藏量是有限的。歐洲人從南美的智利找到了大量硝石礦牀,可是它的成分是硝酸鈉,具有吸濕性,不適宜製造火藥。在這種情況下,1809年一位西班牙化學家找到了利用海草或海藻灰的溶液把天然的硝酸鈉或其他硝酸鹽轉變成硝酸鉀的方法。因為海草或海藻中含有鉀的化合物。
當時法國第戎的製造硝石商人、藥劑師庫爾圖瓦就按照這個方法生產着硝酸鉀。他利用海草灰的溶液與硝酸鈣作用。1811年一個時期裏他發覺到盛裝海草灰溶液的銅製容器很快就遭腐蝕。他認為是海草灰溶液含有一種不明物質在與銅作用,於是他進行了研究。
他將硫酸傾倒進海草灰溶液中,發現放出一股美麗的紫色氣體。這種氣體在冷凝後不形成液體,卻變成暗黑色帶有金屬光澤的結晶體。這就是碘。
關於庫爾圖瓦發現碘的經過,1947年前蘇聯出版的一期《自然》(природа)雜誌中,刊登着一篇署名文章《論倫琴射線發現史》,其中提到碘的發現説:“……在工作中的庫爾圖瓦放着兩個玻璃瓶,其中一個是他製藥用的,裏面盛着海草灰和酒精,另一個裏面盛着鐵在硫酸中的溶液。庫爾圖瓦在吃飯,一隻公貓跳到他肩上。突然,這隻公貓跳下來,撞倒了硫酸瓶和並列在一起的藥瓶。器皿被打破了,液體混合起來,一縷藍紫色的氣體從地面上升起……”
化學反應原理:硫酸遇到海草灰中含有的鹼金屬碘化物——碘化鉀(KI)和碘化鈉(NaI),生成了碘化氫(HI)。它再與硫酸作用,就產生了遊離的碘:
H2SO4 + 2HI → 2H2O + SO2 + I2
法國在拿破崙發動戰爭期間缺少製造火藥的硝酸鉀,是碘發現的歷史條件。碘在自然界中的丰度是不大的,但是一切東西都含有碘,不論堅硬的土塊還是岩石,甚至最純淨的透明的水晶,都含有相當多的碘原子。海水裏含大量的碘,土壤和流水裏含的也不少,動植物和人體裏含的更多,這是碘發現的內因。
庫爾圖瓦長期從事於利用含碘的海草灰製取硝酸鉀的工作,偶然地取得了碘,是因為他能夠緊緊抓住偶然的發現,更因為他具有一定的化學知識,具有很強的求知慾,而不是一個平凡的硝石製造商人。他在1813年發表了《海草灰中新物質的發現》論文,並把他取得的碘送請當時的法國化學家克萊門、德索梅、蓋呂薩克等人進行研究鑑定,得到他們的肯定。
正是蓋呂薩克命名它為iode,來自希臘文紫色一詞。由此得到碘的拉丁名稱iodium和元素符號I。
人們沒有忘記庫爾圖瓦的貢獻,第戎的一條街道即以他的姓氏命名,只有極少數化學元素髮現人獲得了這樣的榮譽。

礦產分佈

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碘在自然界中以能溶於水的形式存在。在自然界含量稀少,除在海水中含量較高海帶、海魚、和貝類等動植物含碘較高(每升海水含50-60微克)以外,在大部分土壤、岩石、水中的含量都很低微。
碘在自然界中含量稀少,在地殼的含量位居第47位。除在海水中含量較高(每升海水含50~60微克)以外,在大部分土壤、岩石、水中的含量都很低。 [2] 
自然界中的碘來源主要是以碘酸鈉NaIO3的形式存在於智利硝石礦中,在海水中碘的含量很少,但海洋中的某些生物(如海藻、海帶等)具有選擇性吸收和富集碘的能力,是碘的一個重要來源。

理化性質

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物理性質

碘是一種紫黑色有光澤的片狀晶體,原子序數53,自然界存在的同位素是74箇中子的碘-127。碘具有較高的蒸氣壓,在微熱下即昇華,純碘蒸氣呈深藍色,若含有空氣則呈紫紅色,並有刺激性氣味。碘易溶於許多有機溶劑中,例如氯仿(CHCl3)、四氯化碳(CCl4)。碘在乙醇和乙醚中生成的溶液顯棕色。碘在介電常數較小的溶劑(如二硫化碳四氯化碳)中生成紫色溶液,在這些溶液中碘以分子狀態存在。碘在水中的溶解度雖然很小,但在碘化鉀KI或其他碘化物溶液中溶解度卻明顯增大。
物理性質
物質狀態
固態
密度
4.93 g/cm³ [4] 
熔點
386.85 K (113.7 °C, 236.66 °F)
沸點
457.4 K (184.3 °C, 363.7 °F)
臨界點
819 K, 11.7 MPa
原子量
126.90447
晶體結構
正交
電負性
2.66
原子半徑
140 pm
計算值
115 pm
價電子排布
[Kr] 4d 5s 5p
電子在每能級的排布
2, 8, 18, 18, 7
質子
53
中子
74

化學性質

碘的化學性質不如同族元素F2、Cl2、Br2活潑,但在化學反應中它也可以表現出由-1到+7的多種氧化態,它的化學性質可以概括為以下幾個方面。
碘能溶於碘化物中是因為I2與碘離子生成了錯離子
在這個平衡中,溶液裏總有單質碘的存在,因此許多碘化鉀溶液的性質與碘溶液相同。碘分子會與澱粉生成藍黑色錯合物,但碘離子 I⁻則否。
碘與金屬的反應:
一般能與氯單質反應的金屬(除了貴金屬)同樣也能與碘反應,只是反應活性不如氯單質。例如碘單質常温下可以和活潑的金屬直接作用,與其他金屬的反應需要在較高的温度下才能發生。I2 + 2Na→ 2NaI。
碘與非金屬的反應:
一般能與氯單質反應的非金屬同樣也能與碘的單質反應,由於碘單質的氧化能力較弱,反應活性不如氯,所以需要在較高的温度下才能發生反應。例如它與磷作用,只生成三碘化磷: 3I2 + 2P → 2PI3
碘與水的反應:
(1)鹵素與水的反應類型:在水中會發生自身氧化還原反應。
(2)碘與水的反應:碘在水中的溶解度最小,僅微溶於水,溶解度是0.029g/100g 水。I2與水不能發生像F2與水發生的氧化還原反應。將氧氣通入碘化氫溶液內會有碘析出:
4HI + O2 → 2I2 + 2H2O
I2在鹼性條件下,I2可以發生自身氧化還原反應,生成碘酸根與碘離子:
3I2 + 6OH- → 5I- + IO3-+ 3H2O
這是由於溶液中不存在次碘酸根IO-。在任何温度下,IO-都迅速發生自身氧化還原反應生成I-和IO3-

應用領域

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作用與用途

碘對動植物的生命是極其重要的。海水裏的碘化物和碘酸鹽進入大多數海生物的新陳代謝中。在高級哺乳動物中,碘以碘化氨基酸的形式集中在甲狀腺內,缺乏碘會引起甲狀腺腫大。 約2/3的碘及化合物用來製備防腐劑、消毒劑和藥物,如碘酊和碘仿CHI3。碘酸鈉作為食品添加劑補充碘攝入量不足。放射性同位素碘-131用於放射性治療和放射性示蹤技術。碘還可用於製造染料和攝影膠片。 [3] 
碘及其相關化合物主要用於醫藥、照相及染料。它還可作為示蹤劑,進行系統的監測,例如用於地熱系統監測。碘化銀(AgI)除用作照相底片的感光劑外,還可作人工降雨時造雲的晶種。I2和KI的酒精溶液即碘酒,是常用的消毒劑;碘仿(CHI3)用作防腐劑。
標定硫代硫酸鈉標準溶液。測定油脂的碘值。鎂及乙酸鹽顯色反應。製造碘烷碘化物等。澱粉的比色測定。測定血清中非蛋白氮澱粉酶。製備固紫和甲苯胺藍碘溶液、催化劑、消毒劑。
含碘製劑如碘酊複方碘溶液碘喉片碘甘油等為醫療中應用較廣的藥物,碘酊是家庭中常備的消毒藥品。
2021年11月18日,英國《自然》雜誌發表的一項工程學研究指出,在電推進系統中使用碘而不是更貴也更難儲存的氙氣,或能提升航天器的性能。碘動力航天器首次完成在軌測試,加快航天業對替代推進劑的接納。 [5] 

生理功能

碘與人類的健康息息相關。成年人體內含有20-50mg的碘,碘是維持人體甲狀腺正常功能所必需的元素。當人體缺碘時就會患甲狀腺腫。因此碘化物可以防止和治療甲狀腺腫大。多食海帶、海魚等含碘豐富的食品,對於防治甲狀腺腫大也很有效。碘的放射性同位素I可用於甲狀腺腫瘤的早期診斷和治療。
碘是人體的必需微量元素之一,有“智力元素”之稱。健康成人體內的碘的總量約為30mg(20~50mg),其中70%~80%存在於甲狀腺。
碘可以:
1.促進生物氧化,甲狀腺素能促進三羧酸循環中的生物氧化,協調生物氧化和磷酸化的偶聯、調節能量轉換。
2.調節蛋白質合成和分解,當蛋白質攝入不足時,甲狀腺素有促進蛋白質合成作用;當蛋白質攝入充足時,甲狀腺素可促進蛋白質分解
3.促進糖和脂肪代謝,甲狀腺素能加速糖的吸收利用,促進糖原和脂肪分解氧化,調節血清膽固醇和磷脂濃度等等。
4.調節水鹽代謝,甲狀腺素可促進組織中水鹽進入血液並從腎臟排出,缺乏時可引起組織內水鹽瀦留,在組織間隙出現含有大量粘蛋白的組織液,發生粘液性水腫。
5.促進維生素的吸收利用,甲狀腺素可促進煙酸的吸收利用,胡蘿蔔素轉化為維生素A過程及核黃素合成核黃素腺嘌呤二核苷酸等。
6.增強酶的活力,甲狀腺素能活化體內100多種酶,如細胞色素酶系、琥珀酸氧化酶系、鹼性磷酸酶等,在物質代謝中起作用。
7.促進生長髮育,甲狀腺素促進骨骼的發育和蛋白質合成,維護中樞神經系統的正常結構。
值得注意的是,人體攝入過多的碘也是有害的,日常飲食碘過量同樣會引起“甲亢”。是否需要在正常膳食之外特意“補碘”,要經過正規體檢,聽取醫生的建議,切不可盲目“補碘”。

食用鹽

人們主要從飲水、糧食、蔬菜和周圍環境中獲取碘。如果飲水、糧食和周圍環境中缺乏碘,長期生活在那裏的人們就會因碘的攝人不足而產生碘缺乏病;缺碘地區不僅僅是內陸、山區、地高坡陡和地下水位高的地區。
實踐的結果表明,面對幅員廣大的缺碘地域和龐大的防治對象,實施食鹽加碘是最為經濟有效、簡便易行的預防碘缺乏病的方法。鹽是人們生活中的必需品,在食鹽中加碘,可以通過一日三餐補碘,既方便,又能保證人們終身攝入足夠量的碘。
碘鹽的色、味均與普通的食鹽完全相同;儘管各人的口味不同,鹽的用量不同,但食用碘鹽都是安全的。因為食鹽含碘量與一般海產品含碘量相似。碘鹽要堅持長年食用,在缺碘的地區,如果連續3至6個月不食用碘鹽,就會產生缺碘的危害。很多海產品如海帶、海魚、海蝦和海菜中也富含碘,經常食用也有補碘的作用。
在各類補碘的措施中,食用碘鹽是最為經濟實惠的羣防羣治措施。雖然碘是智力元素,但過多食用碘並不能增進人的健康和提高智力水平,反而有害。人體每日都需要碘,但只是微量的。

製備方法

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利用碘在有機溶劑中的易溶性,可以把它從溶液中分離出來。
可從海藻、油井鹽水和硝石生產的母液中提取碘。將含有0.001%~0.01%碘化物水溶液,用硫酸酸化至pH2.3~2.5,然後用氯氣或亞硝酸鈉氧化碘化物為碘,用活性炭吸附碘至飽和,再用氫氧化鈉將碘溶解,生成碘化鈉和碘酸鈉溶液,再通入氯氣得到碘。 [3] 
碘的製備一般有兩種方法:
(1)由I- 製備I2
I- 具有較強的還原性,很多氧化劑如Cl2、Br2、MnO2等在酸性溶液中都能將碘離子氧化成碘單質:
Cl2 + 2NaI → 2NaCl + I2
2NaI + 3H2SO4 + MnO2 → 2NaHSO4 + MnSO4 + I2 + 2H2O
第二個方程式是自海藻灰中提取碘的主要反應,析出的碘可用有機溶劑來萃取分離。在上述反應中,要避免使用過量的氧化劑,以免單質碘進一步被氧化為高價碘的化合物:
I2 + 5Cl2 + 6H2O → 2IO3-+ 10Cl- + 12H+
(2) IO3-的還原:
大量碘的製取來源於自然界的碘酸鈉,用還原劑亞硫酸氫鈉NaHSO3使IO3-離子還原為單質碘:
2IO3-+ 5HSO3-→ 3HSO4-+ 2SO42-+ H2O + I2
實際上,上述反應是先用適量的NaHSO3將碘酸鹽還原成碘化物:
IO3-+ 3HSO3-→ I- + 3SO42-+ 3H+
將所得的酸性碘化物溶液與適量的碘酸鹽溶液作用,使碘析出:
IO3-+ 5I- + 6H+ → 3I2 + 3H2O

注意事項

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黏附在皮膚上的碘可用硫代硫酸鈉碳酸鈉溶液洗去。 [3] 
小兒碘中毒多因誤服或用量過大所致,曾有人將碘酊誤作為止咳糖漿,而給小兒服用。少數病兒對碘過敏,治療劑量也發生嚴重反應。小兒誤服碘酊3~4mL即可致死亡。
小兒誤服較高濃度的碘劑,對胃腸道有強烈的刺激和腐蝕作用,吸收後與組織中蛋白反應引起全身中毒病狀。小兒誤服後口腔內有碘味,口腔、食道和胃部有燒灼熱和疼痛,口腔和咽喉部有水腫,呈棕色,病癒後可引起食管和胃的疤痕和狹窄。病兒還出現頭暈、頭痛、口渴、噁心、嘔吐、腹瀉、發熱等症狀,糞便中可帶血。中毒嚴重的小兒面色蒼白、呼吸急促、紫紺、四肢震顫、意識模糊、定向力喪失、感覺障礙、言語雜亂,甚至昏迷、休克,或有中毒性腎炎,出現血尿、蛋白尿,嚴重者引起急性腎功能衰竭。過敏的病兒可引起過敏性休克
由於碘製劑的腐蝕性強,可引起喉頭水腫,甚至窒息,重症還可出現精神症狀、昏迷,如不能及時搶救,可引起大腦嚴重缺氧,損害中樞神經系統,從而影響小兒的智力發育。因此我們要將碘製劑放置在安全的地方,不讓小兒隨便拿到,特別是碘喉片要教育小兒不宜多服,另外碘酊要與止咳糖漿分開放置,並標明名稱,防止將碘酊誤作止咳糖漿給小兒服用,以防中毒。如服用了較大量碘製劑應立即送往醫院搶救治療,可減輕症狀。
口服碘製劑中毒的小兒應立即給小兒口服大量澱粉食物,如米湯、藕粉、麪條、稀飯、麪包、餅乾等,然後催吐,再用1%~10%的澱粉液或米湯洗胃,也可用1%的硫代硫酸鈉溶液洗胃,直到洗出液體無藍色為止。洗胃後導瀉,口服米湯、生蛋清、牛奶、植物油等以保護胃粘膜。重度喉頭水腫應給氧,引起窒息時立即人工呼吸。同時還要注意對症處理。
不缺碘地區的居民不需食用加碘鹽。像山東菏澤地區的一些縣,屬於高碘地區,已經取消了強制補碘。其次,甲亢患者不需食用碘鹽,因為補碘會增加甲狀腺激素的合成,加劇病情。第三,甲狀腺炎(橋本氏病)患者不要食用碘鹽,補碘會加重炎症症狀。第四,甲狀腺瘤患者。關於甲狀腺癌和碘營養水平的關係,醫學研究尚不明確。因此甲狀腺癌患者在食用碘鹽與否的問題上更要慎重,結合病情,聽從醫囑為上。第五,甲狀腺功能減低患者。對於這類人羣是否需要補碘,也存在爭議,因為這種病的致病因素是多樣的,不能一概而論。第六,其他甲狀腺疾病患者,需要結合病情和自身的碘營養狀況,在醫生的指導下作出選擇。第七,患有甲狀腺疾病的孕婦和哺乳期婦女,需要結合個體情況遵從醫囑或採取單獨對哺乳期嬰幼兒補碘的方法。
參考資料