碘 碘(拼音:diǎn,英語 :Iodine)是一種 鹵族元素 ,其化學(xué)符號(hào)為I,原子序數(shù)為53。 碘為藍(lán)灰黑色固體片狀或小晶體,呈金屬結(jié)晶光澤,具有特有的辛辣氣味。易溶于水、乙醇、四氯化碳、氯仿、乙醚和甘油。極易溶于強(qiáng) 碘化物 水溶液,在乙醇、乙醚或碘化物的水溶液中呈紅棕色,在氯仿、四氯化碳或二硫化碳中呈是紫色的。碘是甲狀腺激素甲狀腺素 T?和三碘甲腺原氨酸 T? 的重要組成部分,其中占T?重量的65 %,T? 重量的58 %。 甲狀腺激素 不僅調(diào)節(jié)許多重要的生化反應(yīng)(蛋白質(zhì)合成和酶活性)而且在代謝活動(dòng)過程中起著關(guān)鍵的決定因素 。 碘也是動(dòng)物的必需元素,參與動(dòng)物的生長、發(fā)育和新陳代謝的調(diào)節(jié)。 碘天然存在于海帶,大豆,豬肉,雞肉,蛋黃和黃油等食物中。 碘添加到某些類型的鹽中,可作為膳食補(bǔ)充劑。 人類缺乏碘會(huì)導(dǎo)致甲狀腺腫大、克汀病、智力下降 、孕婦 自然流產(chǎn) 、胎兒先天性缺陷和嬰兒出生時(shí)死亡等一系列疾病和健康問題。
基本信息
物理性質(zhì)
外觀
具有金屬光澤的重質(zhì)灰黑色板狀或顆粒狀(I 2 )
熔化熱
7.9 kJ mol?162.17 J g?1(I 2 )
水溶性
易溶于氯仿、四氯化碳或二硫化碳形成紫色溶液。(I 2 )
蒸氣壓
25 °C 時(shí)的蒸氣壓,0.04 kPa(I 2 )
原子性質(zhì)
發(fā)現(xiàn)歷史 1811年,伯納德·科圖瓦(Bernard Courtois)發(fā)現(xiàn)了碘。當(dāng)時(shí) 拿破侖 的軍隊(duì)需要大量的火藥。 硝石 (硝酸鉀KNO 3 )是火藥的主要成分,需要大量的碳酸鈉制造,而碳酸鈉是從木灰中提取的,由于戰(zhàn)爭持續(xù)的時(shí)間較長,首選的柳樹木材被耗盡。有人建議使用干燥的海藻作為原料來生產(chǎn)火藥,而在制造硝石的過程中,產(chǎn)生了過量的硫化合物,為了去除這些硫化物,科學(xué)家考圖向其加入硫酸,但一不小心加入了過多的硫酸,紫色蒸汽云升起了,房間里彌漫著一股像 氯氣 一樣的刺激性氣味。當(dāng)蒸汽凝結(jié)在冷物體上時(shí),沒有液體形成,而是出現(xiàn)了一定量的黑色晶體,表面光澤類似金屬。 接著伯納德·庫爾圖瓦認(rèn)為它是一種新物質(zhì),并對(duì)這種新物質(zhì)進(jìn)行了一些小實(shí)驗(yàn),指出它與磷、氫和一些金屬結(jié)合良好,但不易與氧或碳結(jié)合。此外,他還發(fā)現(xiàn),當(dāng)與氨混合時(shí),它具有一定的爆炸性,并且在燃燒時(shí)不會(huì)分解。 由于缺乏資金,伯納德·庫爾圖瓦將樣品提供了兩個(gè)團(tuán)隊(duì),路易·約瑟夫·蓋伊·盧薩克(Louis-Joseph Gay-Lussac,1778-1850)和 安德烈·M·安培André M. Ampère,1775-1836),然后兩方都對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行研究,Gay Lussac和AndréM.Ampère研究發(fā)現(xiàn),這種物質(zhì)可能是一種元素,也可能是一種氧的化合物。
直到1813年12月10日, 漢弗里·戴維 (Humphry Davy)發(fā)表了一篇短文,描述了這種物質(zhì)的性質(zhì)與氯相似,并且它與氟和氯都非常相似,并根據(jù)希臘語中“紫羅蘭色”的意思將其命名為“碘”。 1895年,Bauman在甲狀腺中檢測(cè)到高濃度的碘,并提出甲狀腺提取物中的活性成分含有碘。
分布情況
大氣中的碘 大氣中碘的濃度是來自海洋和陸地的碘與以干濕沉降的方式失去的碘平衡后得到的。海洋生物可把海水中的碘化物轉(zhuǎn)化為 甲基碘 并將其釋放到大氣中。甲基碘是唯一可以在自然過程中產(chǎn)生并被檢測(cè)出來的有機(jī)碘化物,已經(jīng)在大氣中檢測(cè)到甲基碘的存在。大氣中碘的存在狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜,碘可以以游離的元素碘、甲基碘、次碘酸鹽、碘酸鹽的狀態(tài)存在,同時(shí)也可以以它們與 O? ,NO,NO?,CO發(fā)生復(fù)雜的大氣化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物的狀態(tài)存在,還可以被大氣中的顆粒物所吸附。
土壤中的碘 碘 (I) 是地球表面含量最少元素之一,土壤中只有大約 3mg kg ?1的總碘,土壤中的碘主要來自大氣干濕沉降、植物吸收大氣碘后植物殘?bào)w的腐爛、土壤母質(zhì)的風(fēng)化以及動(dòng)物排泄物和人為活動(dòng)中。土壤中鐵鋁氧化物、 粘土礦物 、腐殖酸類有機(jī)物越高,則碘含量就越高。此外,土壤與植物和大氣之間存在著碘的交換。植物通過根系吸收土壤中的碘,它死亡腐爛時(shí)除將自土壤中吸收的碘返還到土壤,還能將從大氣中吸收的碘轉(zhuǎn)移給土壤。大氣的干濕沉降直接把碘輸入土壤,土壤中的碘也可以變成元素碘直接揮發(fā)進(jìn)入大氣。
植物中的碘 用碘對(duì)作物進(jìn)行生物強(qiáng)化是一種具有成本效益的預(yù)防碘缺乏的方法,因?yàn)槭称分械牡夂苋菀妆簧锢煤臀?。植物可以積累這種元素,但通常在水果和蔬菜中的來源較少。增加對(duì)土壤的碘施用量可以增加作物中的碘積累。植物中碘的生理學(xué)特征很差。 植物可以通過根系和空氣吸收土壤溶液中的碘,也可以通過雨水溶解在鹽分溶液中,穿過葉片的氣孔和表皮層進(jìn)入。 在植物組織中,碘在液泡中積累,積累過程主要是從根到葉,再到莖。在植物組織中,碘的無機(jī)形式,主要是 I ?占主導(dǎo)地位,但它也可以被吸收為 IO?? 。此外,植物也可以吸收碘水楊酸鹽、碘苯甲酸鹽、單碘酪氨酸、二碘酪氨酸和 三碘甲狀腺原氨酸 形式的有機(jī)分子。 含碘的植物主要有海藻、海帶和昆布。
人體中的碘 碘是甲狀腺激素甲狀腺素(T4)和三碘甲狀腺原氨酸(T3)的主要成分。碘主要集中 在甲狀腺中。一個(gè)健康的成年人體內(nèi)含有 15-20mg的碘,其中 70-80% 儲(chǔ)存在甲狀腺中。一個(gè)人每天攝入的碘量為 500μg;成人每日生理需要量為150μg;孕期和哺乳期為200μg;新生兒期為40μg。正常情況下,甲狀腺會(huì)吸收大約 120μg的碘化物來合成甲狀腺激素 。 成年人全身含有約20mg碘,其中高達(dá)80 %存在于甲狀腺中。另一個(gè)重要的碘庫是人體的唾液腺,每天由甲狀腺吸收約115μg碘化物,其中約75μg用于激素合成和 甲狀腺球蛋白 儲(chǔ)存,剩余部分返回細(xì)胞外液。甲狀腺儲(chǔ)存約10mg,以保護(hù)身體碘的缺乏期。
礦物中的碘 地殼中沒有獨(dú)立的碘礦床。碘元素一般呈分散狀態(tài),伴生于石鹽礦床中,可以綜合回收,如四川自貢井鹽和青海察爾汗鹽湖、海別勒灘鹽湖的鹵水中含碘0.6~3 mg/L。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 碘為藍(lán)灰黑色固體片狀或小晶體,呈金屬結(jié)晶光澤,具有特有的辛辣氣味。易溶于水、 乙醇 、四氯化碳、 氯仿 、 乙醚 、 甘油 。極易溶于強(qiáng)碘化物水溶液。在乙醇、乙醚或碘化物的水溶液中呈紅棕色。在氯仿、四氯化碳或 二硫化碳 中呈是紫色的。 當(dāng)?shù)馊芙庠跇O性溶劑中時(shí),極性溶劑是強(qiáng)供體溶劑,如酮、醚、 吡啶 ,電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物的形成導(dǎo)致兩個(gè)分子軌道之間的能隙改變,從而吸收不同波長的光。碘接受溶劑中的電子,分子進(jìn)入其最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)。這降低了碘原子從最高占據(jù)分子軌道(HOMO)到其LUMO的躍遷能量,從而將顏色從特征的紫色變?yōu)樽厣推渌伾?/span>
同位素 碘有34 種碘同位素,其中包括14個(gè)放射性同位素 122 I至12? I和12? I至13? I,同位素半衰期差異很大,最短的13?I半衰期為86秒;最長的12? I半衰期為1.72×10?年。 其所有的同位素都有53個(gè)質(zhì)子 ,天然存在的碘同位素有12? I和12? I,其中12? I是唯一的穩(wěn)定碘同位素 ,12? I是自然界中半衰期最長的碘同位素,但主要由人類核活動(dòng)產(chǎn)生和釋放。 生物醫(yī)學(xué)中主要使用的三種同位素為 放射性碘 是12? I 、131 I和123 I ,其中131 I 的 放射性半衰期 為 8 天,是高能發(fā)射體,主要用于治療甲狀腺功能亢進(jìn)癥和 甲狀腺癌 ,也可以用于成像 ;123 I 的放射性半衰期為 13 小時(shí),已取代131 I 用于診斷目的; 12? I 的放射性半衰期為 60 天,是低能發(fā)射體,以前曾用于治療甲狀腺功能亢進(jìn)癥,但因治療效果令人失望而被 I 所取代。
化合物 碘存在于形式氧化態(tài)為?1、+1、+3、+5和+7的化合物中。高形式正氧化態(tài)主要存在于具有極負(fù)電元素氧和氟(IO ?、IO??、IO?4?、IF?、IF? 、IF?)的化合物中。 碘的主要化學(xué)形式是碘化物(I?,形式氧化態(tài)?1), 碘酸鹽 (IO??,?5)和有機(jī)碘化合物(R–I)。 下面對(duì)碘的一些化合物進(jìn)行簡單介紹:
氫碘酸 氫碘酸是一種 一元酸 ,酸性比 氯化氫 和 溴化氫 更強(qiáng),是一種無色溶液,可由碘化氫氣體溶解在水中形成。 氫碘酸和水的混合物在57 %HI(餾出物)時(shí)的最大恒定沸點(diǎn)為127 °C。 而碘化氫(HI)是四種常見 鹵化氫 中最不穩(wěn)定的,也是最好的還原劑,由于其容易氧化,可將 釩酸 、 一氧化二氮 還原成銨、一氧化二氮還原成一氧化氮、硝酸還原成亞硝酸,其可通過弱酸(如H?S)與碘的作用或通過某些碘化物的水解制備,但氫碘酸不能通過 H?SO? 與碘化物的作用而制備。
碘的含氧酸 碘的 含氧酸 本質(zhì)上是 共價(jià)化合物 ,主要包括 次碘酸 、HIO?和各種周期性酸。通過將碘溶解在稀堿中,或者通過氧化汞對(duì)碘和水的作用,與碘化離子一起形成 氫氰酸 。此外,在靜止?fàn)顟B(tài)下,次碘酸可歧化為 碘酸 和氫碘酸。
碘金屬化合物
離子碘化物 碘的 離子化合物 主要包括碘化物、碘化鉀和 碘化鈉 ,其中、碘化鈉是最可溶的鹵化鈉,碘化銀最可不溶的碘化物。
多鹵化物
多鹵化物 碘與堿金屬和一種或兩種其他鹵素的混合物,如NH?IBr?、KICl?、RbICl?、HICl?·4H?O、CsFIBr、RbClIBr、CsClIBr和KIF?。這些化合物中的大多數(shù)很容易水解,在加熱時(shí)分解,生成最大晶格能的金屬鹵化物,并電離生成CIICl?、BrIBr?和BrII?等離子。
高碘酸鹽 高碘酸鈉 (Na?H?IO?)是由 碘酸鈉 、 氫氧化鈉 和氯反應(yīng)形成的。 高碘酸鹽從介質(zhì)中分離為晶體,在溶液中,高碘酸鹽在常溫下逐漸形成臭氧和碘酸鹽。金屬高碘酸鹽是固體,微溶于水。高碘酸鹽在加熱時(shí)放出氧氣,同時(shí)生成碘酸鹽,在較高溫度下分解。高碘酸鹽在酸溶液中將氫硫酸或 亞硫酸 氧化為H?SO?,將 草酸 氧化為CO?,將錳酸氧化為錳酸鹽,并與 過氧化氫 一起生成氧氣和碘酸鹽。
化學(xué)性質(zhì)
與空氣和水的反應(yīng) 碘與氧氣生成 五氧化二碘 ,五氧化二碘為白色針狀結(jié)晶,在275℃下分解,溶于水生成 碘酸 。 反應(yīng)如下:
與單質(zhì)的反應(yīng)
與酸的反應(yīng) 碘與 高氯酸 和水在加熱條件反應(yīng)生成 高碘酸 反應(yīng)如下:
與堿的反應(yīng) 碘與 氫氧化鉀 在標(biāo)準(zhǔn)條件反應(yīng)生成碘化鉀。 反應(yīng)如下:
生理功能
碘的生理作用
在人體中的代謝 碘可以通過攝入、吸入或皮膚接觸進(jìn)入人體。在人體腸道中,碘被代謝為碘化物,在健康成人中,>90 % 被吸收 。 人體正常狀態(tài)下,甲狀腺內(nèi)以甲狀腺激素和碘化酪氨酸形式儲(chǔ)存的有機(jī)碘高達(dá)8-10 mg。甲狀腺每天從細(xì)胞外液碘池?cái)z取碘離子120 μg,其中60 μg用于合成甲狀腺激素(T 3 、T 4 ),其余60 μg返回細(xì)胞外液碘池。
血清中的碘主要以下列兩種形式存在:一種是無機(jī)碘化物,主要以碘的離子狀態(tài)存在,約占血清中總碘量的5%~10%;另一種是有機(jī)碘化物,與蛋白結(jié)合的碘稱為蛋白結(jié)合碘。有機(jī)碘化物主要存在于T 3 、T 4 、DIT、MIT和TG中,約占血清中總碘含量的90 %~95 %。血清中與蛋白質(zhì)結(jié)合的碘含量是相對(duì)恒定的,并在一定程度上間接反映了TH的水平和甲狀腺的功能狀態(tài)。正常成人血清中碘的含量受飲食中碘的影響,人體碘的80 %-90 %來自食物,10 %-20 %來自飲水,極少量來自空氣。食物中的碘化物主要以I-形式被機(jī)體吸收,但食物中的a 、Mg 、Fe 等離子可妨礙腸道碘的吸收。經(jīng)消化道吸收的碘主要被濃聚在甲狀腺組織中,小部分經(jīng)腎排出體外。婦女哺乳期經(jīng)乳汁排出的碘量較多,糞和皮膚的碘排泄量很少。
人體推薦攝入量 碘的推薦量
年齡
男性
女性
懷孕
哺乳期
出生至6個(gè)月
110 μg
110 μg
7-12個(gè)月
130 μg
130 μg
1-3年
90 μg
90 μg
4-8歲
90 μg
90 μg
9-13歲
120 μg
120 μg
14-18歲
150 μg
150 μg
220 μg
290 μg
19歲以上
150 μg
150 μg
150 μg
290 μg
人體可耐受最高攝入量 碘的可耐受最高攝入量
年齡
男性
女性
懷孕
哺乳期
出生至6個(gè)月
不可能建立
不可能建立
7-12個(gè)月
不可能建立
不可能建立
1-3年
200 μg
200 μg
4-8歲
200 μg
300 μg
9-13歲
600 μg
600 μg
14-18歲
900 μg
900 μg
900 μg
900 μg
19歲以上
1100 μg
1100 μg
1100 μg
1100 μg
制備方法 工業(yè)生產(chǎn)主要采用離子交換法和 空氣吹出法 。
離子交換法 碘在海帶浸泡水中以離子狀態(tài)存在,為了能使碘在離子交換柱中能被吸附,必須先將浸泡液加酸酸化,通入氯氣或 次氯酸鈉 ,使碘鹽氧化游離,再通入專柱吸附提碘。然后用 亞硫酸鈉 解吸。解吸液用硫酸酸化,再加入 氯酸鉀 碘析為粗碘。粗碘的精制多采用熔融法系將粗碘和四分之一倍濃硫酸混合(重量比),在120-160℃的釜中使碘熔融,經(jīng)冷卻結(jié)晶,可得 精碘 。不同階段的反應(yīng)式為: 氧化
吸附
解吸
碘析
空氣出吹法 空氣吹出法 空氣吹出法提碘,適用于含碘量較高的液料,如制鹽 母液 。 反應(yīng)如下:
此外可以在鹵水中提取碘。
應(yīng)用領(lǐng)域
農(nóng)業(yè)方面 在農(nóng)業(yè)上,碘是制農(nóng)藥的原料,用作 除莠劑 、飼料添加劑,小麥面粉的處理劑和人工降雨催化劑。
光譜學(xué)方面 用作照相感光乳劑,也用于制造電子儀器的單晶棱鏡、光學(xué)儀器的偏光鏡和通透過紅外線的玻璃。
工業(yè)方面
醫(yī)藥方面 碘是制造無機(jī)和有機(jī)碘化物的基本原料,主要用于醫(yī)藥衛(wèi)生方面,用以制造各種碘制劑、殺菌劑、消毒劑、 脫臭劑 、鎮(zhèn)痛劑、放射性物質(zhì)的解毒劑。
食品方面 碘可以加到 食用鹽 中,參與三大營養(yǎng)素及能量的代謝,調(diào)節(jié)水鹽代謝,促進(jìn)維生素的吸收,維持甲狀腺的正常功能。
其他方面 碘及其化合物 可用于合成橡膠、墨水和染料的催化劑、人造革和石油 烯烴 的脫氧劑;提取鈦、鋯、硼、鉿等金屬的還原劑;加工切削 鈦鋼 和不銹鋼的潤滑劑;作 干電池 和火箭燃料添加劑、消防滅火 劑。
安全事宜
對(duì)人體的影響 碘缺乏最嚴(yán)重的副作用是對(duì)胎兒的損害。母體甲狀腺素在10–12周胎兒甲狀腺功能開始前穿過胎盤,占出生時(shí)臍帶血中T4的20–40%。胎兒 大腦神經(jīng)元 遷移和髓鞘形成需要正常量的甲狀腺激素,碘缺乏會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p害大腦發(fā)育,缺碘會(huì)導(dǎo)致流產(chǎn)以及死產(chǎn)。 此外,碘攝入過多時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種反應(yīng),主要包括甲狀腺炎、甲狀腺腫、甲狀腺功能減退、甲狀腺功能亢進(jìn)、敏感性反應(yīng)和急性反應(yīng)。
對(duì)植物的影響 植物體內(nèi)碘含量隨著外源體內(nèi)碘含量的增加而增加,葉菜類對(duì)碘的累積能力最強(qiáng),其次為莖菜類,而根菜類較弱。不同植物對(duì)不同劑量碘的反應(yīng)不一樣。碘濃度過高可引起植物生長矮小產(chǎn)量減少等,甚至誘發(fā)植物病害的發(fā)生。
對(duì)生理功能的影響 呼吸系統(tǒng):吸入 碘蒸氣 可能導(dǎo)致嚴(yán)重的肺部刺激,導(dǎo)致肺水腫。聲門水腫和肺水腫也可由口服攝入引起。
主要不良反應(yīng): 過敏反應(yīng):無論碘是局部給藥還是全身給藥,碘碘化物會(huì)引起過敏反應(yīng): 蕁麻疹 、血管性水腫、皮膚出血或紫癜、發(fā)燒、關(guān)節(jié)痛、 淋巴結(jié)腫大 和嗜酸性粒細(xì)胞增多、痤瘡形式或嚴(yán)重的皮疹。 碘中毒的影響:碘中毒的輕度中毒綜合癥是由反復(fù)服用少量碘引起的。碘中毒的特征是流涎、鼻炎、打噴嚏、 結(jié)膜炎 、頭痛、喉炎、支氣管炎、口腔炎、腮腺炎、 頜下腺腫大 、皮疹和胃部不適。在極少數(shù)情況下,可能會(huì)出現(xiàn)黃疸、粘膜出血和支氣管痙攣。這些不良反應(yīng)可能會(huì)加重炎癥狀態(tài)。 心血管和呼吸系統(tǒng)影響:循環(huán)衰竭、聲門水腫導(dǎo)致窒息、 吸入性肺炎 或肺水腫可能導(dǎo)致死亡。
消防 碘不可燃,本身不燃燒,但在加熱時(shí)可能會(huì)分解產(chǎn)生腐蝕性或有毒煙霧。有些是氧化劑,可能會(huì)點(diǎn)燃木材,紙張,和衣物等。碘與金屬接觸可能會(huì)釋放出易燃的氫氣。此外,含碘的容器在加熱時(shí)可能會(huì)發(fā)生爆炸。
小火:可以使用干粉、二氧化碳等方式進(jìn)行滅火。
大火:采用干粉、二氧化碳、抗溶性泡沫或噴水等方式進(jìn)行滅火。如果排氣安全裝置發(fā)出響亮的聲音或罐體變色,應(yīng)立即撤離。如果油罐車、軌道車或油罐車發(fā)生火災(zāi),在所有方向隔離 800 米。
急救措施 眼睛:當(dāng)?shù)饨佑|到眼睛,應(yīng)立即用大量水沖洗眼睛,偶爾提起下眼瞼和上眼瞼,然后立即就醫(yī)。
皮膚:碘接觸到皮膚,應(yīng)立即用肥皂和水清洗受污染的皮膚。如果碘滲入衣服,應(yīng)立即脫掉衣服,用肥皂和水清洗皮膚,并及時(shí)就醫(yī)。
呼吸:人體吸入大量碘時(shí),應(yīng)立即將暴露的人轉(zhuǎn)移到新鮮空氣中。如果呼吸停止,應(yīng)立刻進(jìn)行人工呼吸,并盡快就醫(yī)。
吞咽:一不小心吞咽碘時(shí),應(yīng)立即就醫(yī)。
溢出處理 禁止碘進(jìn)入環(huán)境,防止泄漏的碘進(jìn)入到有蓋的密封容器中,小心收集剩余物,然后根據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)進(jìn)行儲(chǔ)存和處置。碘有毒和腐蝕性,一旦泄露應(yīng)隔離所有方向的溢出或泄漏區(qū)域至少 50 米,必要時(shí),在下風(fēng)方向增加即時(shí)預(yù)防措施的距離。
儲(chǔ)存 應(yīng)儲(chǔ)存在陰涼和通風(fēng)良好的地方,避免陽光直射,遠(yuǎn)離火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域,并定期檢查。