碘 碘(拼音:diǎn,英語(yǔ) :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(guò)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(zhǎng)、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(wèn)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(zhēng)持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng),首選的柳樹(shù)木材被耗盡。有人建議使用干燥的海藻作為原料來(lái)生產(chǎn)火藥,而在制造硝石的過(guò)程中,產(chǎn)生了過(guò)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(guò)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(méi)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(kù)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(kù)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(yǔ)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(lái)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(guò)程中產(chǎn)生并被檢測(cè)出來(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)根系和空氣吸收土壤溶液中的碘,也可以通過(guò)雨水溶解在鹽分溶液中,穿過(guò)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(guò)程主要是從根到葉,再到莖。在植物組織中,碘的無(wú)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(lái)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(kù)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(méi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(wú)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(jiàn) 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(guò)弱酸(如H?S)與碘的作用或通過(guò)某些碘化物的水解制備,但氫碘酸不能通過(guò) 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(guò)將碘溶解在稀堿中,或者通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(lái)自食物,10 %-20 %來(lái)自飲水,極少量來(lái)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(guò)紅外線的玻璃。
工業(yè)方面
醫(yī)藥方面 碘是制造無(wú)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(yíng)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(rùn)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(kāi)始前穿過(guò)胎盤(pán),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(guò)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(guò)高可引起植物生長(zhǎng)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(mén)水腫和肺水腫也可由口服攝入引起。
主要不良反應(yīng): 過(guò)敏反應(yīng):無(wú)論碘是局部給藥還是全身給藥,碘碘化物會(huì)引起過(guò)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(mén)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(chē)、軌道車(chē)或油罐車(chē)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(yáng)光直射,遠(yuǎn)離火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域,并定期檢查。