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碘(非金属元素)

元素周期表53号元素碘,在化学元素周期表中位于5周期系ⅦA族是卤族元素之一。1811年法国药剂师库特瓦首次发现单质碘。单质碘呈紫黑色晶体,易升华,升华后易凝华。有毒性和腐蚀性。碘单质遇淀粉会变蓝紫色。主要用于制药物、染料、碘酒、试纸和碘化合物等。碘是人体的必需微量元素之一,健康成人体内的碘的总量为30毫克(20~50毫克),国家规定在食盐中添加碘的标准为20-30毫克/千克。

18世纪末和19世纪初,法国皇帝拿破仑发动战争,需要大量硝酸钾制造火药。当时欧洲的硝酸钾矿多取自印度,但是储藏量是有限的。欧洲人从南美的智利找到了大量硝石矿床,可是它的成分是硝酸钠,具有吸湿性,不适宜制造火药。在这种情况下,1809年一位西班牙化学家找到了利用海草或海藻灰的溶液把天然的硝酸钠或其他硝酸盐转变成硝酸钾的方法。因为海草或海藻中含有钾的化合物。

当时法国第戎的制造硝石商人、药剂师库尔图瓦就按照这个方法生产着硝酸钾。他利用海草灰的溶液与硝酸钙作用。1811年一个时期里他发觉到盛装海草灰溶液的铜制容器很快就遭腐蚀。他认为是海草灰溶液含有一种不明物质在与铜作用,于是他进行了研究。

他将硫酸倾倒进海草灰溶液中,发现放出一股美丽的紫色气体。这种气体在冷凝后不形成液体,却变成暗黑色带有金属光泽的结晶体。这就是碘。

关于库尔图瓦发现碘的经过,1947年前苏联出版的一期《自然》(природа)杂志中,刊登着一篇署名文章《论伦琴射线发现史》,其中提到碘的发现说:“……在工作中的库尔图瓦放着两个玻璃瓶,其中一个是他制药用的,里面盛着海草灰和酒精,另一个里面盛着铁在硫酸中的溶液。库尔图瓦在吃饭,一只公猫跳到他肩上。突然,这只公猫跳下来,撞倒了硫酸瓶和并列在一起的药瓶。器皿被打破了,液体混合起来,一缕蓝紫色的气体从地面上升起……”

化学反应原理:硫酸遇到海草灰中含有的碱金属碘化物碘化钾(KI)和碘化钠(NaI),生成了碘化氢(HI)。它再与硫酸作用,就产生了游离的碘:

H2SO4 + 2HI → 2H2O + SO2 + I2

法国在拿破仑发动战争期间缺少制造火药的硝酸钾,是碘发现的历史条件。碘在自然界中的丰度是不大的,但是一切东西都含有碘,不论坚硬的土块还是岩石,甚至最纯净的透明的水晶,都含有相当多的碘原子。海水里含大量的碘,土壤和流水里含的也不少,动植物和人体里含的更多,这是碘发现的内因。

库尔图瓦长期从事于利用含碘的海草灰制取硝酸钾的工作,偶然地取得了碘,是因为他能够紧紧抓住偶然的发现,更因为他具有一定的化学知识,具有很强的求知欲,而不是一个平凡的硝石制造商人。他在1813年发表了《海草灰中新物质的发现》论文,并把他取得的碘送请当时的法国化学家克莱门、德索梅、盖吕萨克等人进行研究鉴定,得到他们的肯定。

正是盖吕萨克命名它为iode,来自希腊文紫色一词。由此得到碘的拉丁名称iodium和元素符号I。

人们没有忘记库尔图瓦的贡献,第戎的一条街道即以他的姓氏命名,只有极少数化学元素发现人获得了这样的荣誉。 [1]

碘在自然界中以能溶于水的形式存在。在自然界含量稀少,除在海水中含量较高海带、海鱼、和贝类等动植物含碘较高(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。 [2]

碘在自然界中含量稀少,在地壳的含量位居第47位。除在海水中含量较高(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。 [3]

自然界中的碘来源主要是以碘酸钠NaIO3的形式存在于智利硝石矿中,在海水中碘的含量很少,但海洋中的某些生物(如海藻、海带等)具有选择性吸收和富集碘的能力,是碘的一个重要来源。 [4]

碘是一种紫黑色有光泽的片状晶体,原子序数53,自然界存在的同位素是74个中子的碘-127。碘具有较高的蒸气压,在微热下即升华,纯碘蒸气呈深蓝色,若含有空气则呈紫红色,并有刺激性气味。碘易溶于许多有机溶剂中,例如氯仿(CHCl3)、四氯化碳(CCl4)。碘在乙醇和乙醚中生成的溶液显棕色。碘在介电常数较小的溶剂(如二硫化碳、四氯化碳)中生成紫色溶液,在这些溶液中碘以分子状态存在。碘在水中的溶解度虽然很小,但在碘化钾KI或其他碘化物溶液中溶解度却明显增大。 [4]

物理属性

物质状态

固态

密度

4.933×103kg/m

熔点

386.85K (113.7°C, 236.66°F) [5]

沸点

457.4K (184.3°C, 363.7°F) [5]

临界点

819 K, 11.7 MPa [5]

原子属性

原子量

126.90447 g/mol [5]

晶体结构

orthorhombic [5]

电负性

2.66 [5]

原子半径

140 pm [5]

计算值

115 pm [5]

价电子排布

[Kr] 4d 5s 5p [5]

电子在每能级的排布

2, 8, 18, 18, 7 [5]

质子

53 [5]

中子

76 [5]

碘的化学性质不如同族元素F2、Cl2、Br2活泼,但在化学反应中它也可以表现出由-1到+7的多种氧化态,它的化学性质可以概括为以下几个方面。

碘能溶于碘化物中是因为I2与碘离子生成了错离子(I3-)。I2 + I → I3-在这个平衡中,溶液里总有单质碘的存在,因此许多碘化钾溶液的性质与碘溶液相同。碘分子会与淀粉生成蓝黑色错合物,但碘离子(I )则否。 [4]

碘与金属的反应:

一般能与氯单质反应的金属(除了贵金属)同样也能与碘反应,只是反应活性不如氯单质。例如碘单质常温下可以和活泼的金属直接作用,与其他金属的反应需要在较高的温度下才能发生。I2 + 2Na→ 2NaI。

碘与非金属的反应:

一般能与氯单质反应的非金属同样也能与碘的单质反应,由于碘单质的氧化能力较弱,反应活性不如氯,所以需要在较高的温度下才能发生反应。例如它与磷作用,只生成三碘化磷: 3I2 + 2P → 2PI3

碘与水的反应:

(1)卤素与水的反应类型:在水中会发生自身氧化还原反应。

(2)碘与水的反应:碘在水中的溶解度最小,仅微溶于水,溶解度是0.029g/100g水。I2与水不能发生像F2与水发生的氧化还原反应。将氧气通入碘化氢溶液内会有碘析出:

4HI + O2 → 2I2 + 2H2O

I2在碱性条件下,I2可以发生自身氧化还原反应,生成碘酸根与碘离子:

3I2 + 6OH- → 5I- + IO3-+ 3H2O

这是由于溶液中不存在次碘酸根IO-。在任何温度下,IO-都迅速发生自身氧化还原反应生成I-和IO3- [4]

碘对动植物的生命是极其重要的。海水里的碘化物和碘酸盐进入大多数海生物的新陈代谢中。在高级哺乳动物中,碘以碘化氨基酸的形式集中在甲状腺内,缺乏碘会引起甲状腺肿大。 约2/3的碘及化合物用来制备防腐剂、消毒剂和药物,如碘酊和碘仿CHI3。碘酸钠作为食品添加剂补充碘摄入量不足。放射性同位素碘-131用于放射性治疗和放射性示踪技术。碘还可用于制造染料和摄影胶片。 [6]

碘及其相关化合物主要用于医药、照相及染料。它还可作为示踪剂,进行系统的监测,例如用于地热系统监测。碘化银(AgI)除用作照相底片的感光剂外,还可作人工降雨时造云的晶种。I2和KI的酒精溶液即碘酒,是常用的消毒剂;碘仿(CHI3)用作防腐剂。 [4]

标定硫代硫酸钠标准溶液。测定油脂的碘值。镁及乙酸盐的显色反应。制造碘烷及碘化物等。淀粉的比色测定。测定血清中非蛋白氮、淀粉酶。制备固紫和甲苯胺蓝碘溶液。催化剂。消毒剂。

含碘制剂如碘酊、复方碘溶液、碘喉片、碘甘油等为医疗中应用较广的药物,碘酊是家庭中常备的消毒药品。

碘与人类的健康息息相关。成年人体内含有20-50mg的碘,碘是维持人体甲状腺正常功能所必需的元素。当人体缺碘时就会患甲状腺肿。因此碘化物可以防止和治疗甲状腺肿大。多食海带、海鱼等含碘丰富的食品,对于防治甲状腺肿大也很有效。碘的放射性同位素131I可用于甲状腺肿瘤的早期诊断和治疗。 [4]

碘是人体的必需微量元素之一,有“智力元素”之称。健康成人体内的碘的总量约为30mg(20~50mg),其中70%~80%存在于甲状腺。

碘可以:

1.促进生物氧化,甲状腺素能促进三羧酸循环中的生物氧化,协调生物氧化和磷酸化的偶联、调节能量转换。

2.调节蛋白质合成和分解,当蛋白质摄入不足时,甲状腺素有促进蛋白质合成作用;当蛋白质摄入充足时,甲状腺素可促进蛋白质分解。

3.促进糖和脂肪代谢,甲状腺素能加速糖的吸收利用,促进糖原和脂肪分解氧化,调节血清胆固醇和磷脂浓度等等。

4.调节水盐代谢,甲状腺素可促进组织中水盐进入血液并从肾脏排出,缺乏时可引起组织内水盐潴留,在组织间隙出现含有大量粘蛋白的组织液,发生粘液性水肿。

5.促进维生素的吸收利用,甲状腺素可促进烟酸的吸收利用,胡萝卜素转化为维生素A过程及核黄素合成核黄素腺嘌呤二核苷酸等。

6.增强酶的活力,甲状腺素能活化体内100多种酶,如细胞色素酶系、琥珀酸氧化酶系、碱性磷酸酶等,在物质代谢中起作用。

7.促进生长发育,甲状腺素促进骨骼的发育和蛋白质合成,维护中枢神经系统的正常结构。

值得注意的是,人体摄入过多的碘也是有害的,日常饮食碘过量同样会引起“甲亢”。是否需要在正常膳食之外特意“补碘”,要经过正规体检,听取医生的建议,切不可盲目“补碘”。

人们主要从饮水、粮食、蔬菜和周围环境中获取碘。如果饮水、粮食和周围环境中缺乏碘,长期生活在那里的人们就会因碘的摄人不足而产生碘缺乏病;缺碘地区不仅仅是内陆、山区、地高坡陡和地下水位高的地区。

实践的结果表明,面对幅员广大的缺碘地域和庞大的防治对象,实施食盐加碘是最为经济有效、简便易行的预防碘缺乏病的方法。盐是人们生活中的必需品,在食盐中加碘,可以通过一日三餐补碘,既方便,又能保证人们终身摄入足够量的碘。

碘盐的色、味均与普通的食盐完全相同;尽管各人的口味不同,盐的用量不同,但食用碘盐都是安全的。因为食盐含碘量与一般海产品含碘量相似。碘盐要坚持长年食用,在缺碘的地区,如果连续3至6个月不食用碘盐,就会产生缺碘的危害。很多海产品如海带、海鱼、海虾和海菜中也富含碘,经常食用也有补碘的作用。

在各类补碘的措施中,食用碘盐是最为经济实惠的群防群治措施。虽然碘是智力元素,但过多食用碘并不能增进人的健康和提高智力水平,反而有害。人体每日都需要碘,但只是微量的。 [2]

利用碘在有机溶剂中的易溶性,可以把它从溶液中分离出来。 [4]

可从海藻、油井盐水和硝石生产的母液中提取碘。将含有0.001%~0.01%碘化物水溶液,用硫酸酸化至pH2.3~2.5,然后用氯气或亚硝酸钠氧化碘化物为碘,用活性炭吸附碘至饱和,再用氢氧化钠将碘溶解,生成碘化钠和碘酸钠溶液,再通入氯气得到碘。 [6]

碘的制备一般有两种方法:

(1)由I- 制备I2

I- 具有较强的还原性,很多氧化剂如Cl2、Br2、MnO2等在酸性溶液中都能将碘离子氧化成碘单质:

Cl2 + 2NaI → 2NaCl + I2

2NaI + 3H2SO4 + MnO2 → 2NaHSO4 + MnSO4 + I2 + 2H2O
  第二个方程式是自海藻灰中提取碘的主要反应,析出的碘可用有机溶剂来萃取分离。在上述反应中,要避免使用过量的氧化剂,以免单质碘进一步被氧化为高价碘的化合物:

I2 + 5Cl2 + 6H2O → 2IO3-+ 10Cl- + 12H+ [4]

(2) IO3-的还原:

大量碘的制取来源于自然界的碘酸钠,用还原剂亚硫酸氢钠NaHSO3使IO3-离子还原为单质碘:

2IO3-+ 5HSO3-→ 3HSO4-+ 2SO42-+ H2O + I2

实际上,上述反应是先用适量的NaHSO3将碘酸盐还原成碘化物:

IO3-+ 3HSO3-→ I- + 3SO42-+ 3H+

将所得的酸性碘化物溶液与适量的碘酸盐溶液作用,使碘析出:

IO3-+ 5I- + 6H+ → 3I2 + 3H2O [4]

黏附在皮肤上的碘可用硫代硫酸钠或碳酸钠溶液洗去。 [6]

小儿碘中毒多因误服或用量过大所致,曾有人将碘酊误作为止咳糖浆,而给小儿服用。少数病儿对碘过敏,治疗剂量也发生严重反应。小儿误服碘酊3~4mL即可致死亡。

小儿误服较高浓度的碘剂,对胃肠道有强烈的刺激和腐蚀作用,吸收后与组织中蛋白反应引起全身中毒病状。小儿误服后口腔内有碘味,口腔、食道和胃部有烧灼热和疼痛,口腔和咽喉部有水肿,呈棕色,病愈后可引起食管和胃的疤痕和狭窄。病儿还出现头晕、头痛、口渴、恶心、呕吐、腹泻、发热等症状,粪便中可带血。中毒严重的小儿面色苍白、呼吸急促、紫绀、四肢震颤、意识模糊、定向力丧失、感觉障碍、言语杂乱,甚至昏迷、休克,或有中毒性肾炎,出现血尿、蛋白尿,严重者引起急性肾功能衰竭。过敏的病儿可引起过敏性休克。

由于碘制剂的腐蚀性强,可引起喉头水肿,甚至窒息,重症还可出现精神症状、昏迷,如不能及时抢救,可引起大脑严重缺氧,损害中枢神经系统,从而影响小儿的智力发育。因此我们要将碘制剂放置在安全的地方,不让小儿随便拿到,特别是碘喉片要教育小儿不宜多服,另外碘酊要与止咳糖浆分开放置,并标明名称,防止将碘酊误作止咳糖浆给小儿服用,以防中毒。如服用了较大量碘制剂应立即送往医院抢救治疗,可减轻症状。

口服碘制剂中毒的小儿应立即给小儿口服大量淀粉食物,如米汤、藕粉、面条、稀饭、面包、饼干等,然后催吐,再用1%~10%的淀粉液或米汤洗胃,也可用1%的硫代硫酸钠溶液洗胃,直到洗出液体无蓝色为止。洗胃后导泻,口服米汤、生蛋清、牛奶、植物油等以保护胃粘膜。重度喉头水肿应给氧,引起窒息时立即人工呼吸。同时还要注意对症处理。

不缺碘地区的居民不需食用加碘盐。像山东菏泽地区的一些县,属于高碘地区,已经取消了强制补碘。其次,甲亢患者不需食用碘盐,因为补碘会增加甲状腺激素的合成,加剧病情。第三,甲状腺炎(桥本氏病)患者不要食用碘盐,补碘会加重炎症症状。第四,甲状腺瘤患者。关于甲状腺癌和碘营养水平的关系,医学研究尚不明确。因此甲状腺癌患者在食用碘盐与否的问题上更要慎重,结合病情,听从医嘱为上。第五,甲状腺功能减低患者。对于这类人群是否需要补碘,也存在争议,因为这种病的致病因素是多样的,不能一概而论。第六,其他甲状腺疾病患者,需要结合病情和自身的碘营养状况,在医生的指导下作出选择。第七,患有甲状腺疾病的孕妇和哺乳期妇女,需要结合个体情况遵从医嘱或采取单独对哺乳期婴幼儿补碘的方法。 [7]


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