Иод

Иод название — йод; от греч. ἰώδης — «фиалковый») — химический элемент с атомным номером 53. Принадлежит к 17-й группе периодической таблицы химических элементов, находится в пятом периоде таблицы. Атомная масса элемента 126, 90447 а. е. м.. Обозначается символом I (от лат. Iodum). Химически активный неметалл, относится к группе галогенов.

Иод
← Теллур | Ксенон →
53 Br ↑ I ↓ At 53I
Внешний вид простого вещества
Блестящий тёмно-серый неметалл. В газообразном состоянии — фиолетовый.
Элементарный иод
Свойства атома
Название, символ, номер	Иод / Iodum (I), 53
Атомная масса (молярная масса)	126,90447(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d10 5s2 5p5
Радиус атома	136 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	133 пм
Радиус иона	(+7e) 50 (-1e) 220 пм
Электроотрицательность	2,66 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	+0,535 В
Степени окисления	+7, +5, +3, +1, 0, −1
Энергия ионизации (первый электрон)	1008,3 (10,45) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	4,93 г/см³
Температура плавления	113,5 °C
Температура кипения	184,35 °C
Уд. теплота плавления	15,52 (I—I) кДж/моль
Уд. теплота испарения	41,95 (I—I) кДж/моль
Молярная теплоёмкость	54,44 Дж/(K·моль)
Молярный объём	25,7 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	орторомбическая
Параметры решётки	a=7,18 b=4,71 c=9,81
Отношение c/a	—
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (0,45) Вт/(м·К)
Номер CAS	7553-56-2

Простое вещество иод при нормальных условиях — кристаллы чёрно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском, легко образует фиолетовые пары, обладающие резким запахом. Элементарный иод высокотоксичен. Молекула простого вещества двухатомна (формула I₂).

Название и обозначение

Название элемента предложено Гей-Люссаком и происходит от др.-греч. ἰο-ειδής (букв. «фиалкоподобный»), что связано с цветом пара, который наблюдал французский химик Бернар Куртуа, нагревая маточный рассол золы морских водорослей с концентрированной серной кислотой. В медицине и биологии данный элемент и простое вещество обычно называют йодом, например, «раствор йода», в соответствии со старым вариантом названия, существовавшим в химической номенклатуре до середины XX века.

В современной химической номенклатуре используется наименование иод. Такое же положение существует в некоторых других языках, например, в немецком: общеупотребительное Jod и терминологически корректное Iod. Одновременно с изменением названия элемента в 1950-х годах Международным союзом общей и прикладной химии символ элемента J был заменён на I.

История

Иод был открыт в 1811 г. Куртуа. При кипячении серной кислоты с рассолом золы морских водорослей он наблюдал выделение фиолетового пара, при охлаждении превращающегося в тёмные кристаллы с ярким блеском.

Элементная природа иода установлена в 1811—1813 гг. Л. Ж. Гей-Люссаком (а чуть позже и Х. Дэви). Гей-Люссак получил также многие производные (HI, HIO₃, I₂O₅, ICl и др.). Важнейшим природным источником иода служат буровые воды нефтяных и газовых скважин.

Нахождение в природе

Иод — редкий элемент. Его кларк — всего 400 мг/т. Однако он чрезвычайно сильно рассеян в природе и, будучи далеко не самым распространённым элементом, присутствует практически везде. Иод находится в виде иодидов в морской воде (20—30 мг на тонну морской воды). Присутствует в живых организмах, больше всего в водорослях (2,5 г на тонну высушенной морской капусты, ламинарии). Известен в природе также в свободной форме, в качестве минерала, но такие находки единичны, — в термальных источниках Везувия и на острове Вулькано (Италия). Запасы природных иодидов оцениваются в 15 млн тонн, 99 % запасов находятся в Чили и Японии. В настоящее время в этих странах ведётся интенсивная добыча иода, например, чилийская Atacama Minerals производит свыше 720 тонн иода в год. Наиболее известный из минералов иода — лаутарит Ca(IO₃)₂. Некоторые другие минералы иода — иодобромит Ag(Br, Cl, I), эмболит Ag(Cl, Br), майерсит CuI·4AgI.

Сырьём для промышленного получения иода в России служат нефтяные буровые воды, тогда как в зарубежных странах, не обладающих нефтяными месторождениями, используются морские водоросли, а также маточные растворы чилийской (натриевой) селитры, щёлок калийных и селитряных производств, что намного удорожает производство иода из такого сырья.

Типичная концентрация иода в подземных рассолах (где он существует обычно в форме иодида натрия) составляет 30…150 ppm. Оцененные запасы иода в рассолах составляют 5 млн тонн в Японии, 0,25 млн тонн в США, 0,1 млн тонн в Индонезии и 0,36 млн тонн суммарно в Туркменистане, Азербайджане и России. Запасы иода в чилийских залежах каличе (известковых вторичных отложений с примесями нитратов, хлоридов, иодатов и других растворимых солей в пустыне Атакама, где он присутствует в виде иодата кальция Ca(IO₃)₂) составляют 1,8 млн тонн. Кроме того, отмечается возможность добычи иода из морских водорослей (запасы около 4 тыс. тонн в Японии). Суммарная оценка запасов иода составляет 7,5 млн тонн, не считая морской воды (34,5 млн тонн), прямая добыча иода из которой экономически невыгодна ввиду низкой концентрации — менее 0,05 ppm.

Физические свойства

Природный иод является моноизотопным элементом, в его состав входит только один изотоп — иод-127 . Конфигурация внешнего электронного слоя — 5s²p⁵. В соединениях проявляет степени окисления −1, 0, +1, +3, +5 и +7 (валентности I, III, V и VII).

Радиус нейтрального атома иода 0,136 нм, ионные радиусы I⁻, I⁵⁺ и I⁷⁺ равны, соответственно, 0,206; 0,058—0,109; 0,056—0,067 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома иода равны, соответственно: 10,45; 19,10; 33 эВ. Сродство к электрону −3,08 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность иода равна 2,66, иод принадлежит к числу неметаллов.

Иод при обычных условиях — твёрдое вещество, чёрно-серые или тёмно-фиолетовые кристаллы со слабым металлическим блеском и специфическим запахом.

Пары имеют характерный фиолетовый цвет, так же, как и растворы в неполярных органических растворителях, например, в бензоле — в отличие от бурого раствора в полярном этиловом спирте. Слабо растворяется в воде (0,28 г/л), лучше растворяется в водных растворах иодидов щелочных металлов с образованием трииодидов (например трииодида калия KI₃).

При нагревании при атмосферном давлении иод сублимирует (возгоняется), превращаясь в пары фиолетового цвета; при охлаждении при атмосферном давлении пары иода кристаллизуются, минуя жидкое состояние. Этим пользуются на практике для очистки иода от нелетучих примесей.

Жидкий иод можно получить, нагревая его под давлением.

Изотопы

Известны 37 изотопов иода с массовыми числами от 108 до 144. Из них только ¹²⁷I является стабильным, период полураспада остальных изотопов иода составляет от 103 мкс до 1,57⋅10⁷ лет; отдельные изотопы используются в терапевтических и диагностических целях.

Радиоактивный нуклид ¹³¹I распадается с испусканием β-частиц (наиболее вероятные максимальные энергии — 0,248, 0,334 и 0,606 МэВ), а также с излучением γ-квантов с энергиями от 0,08 до 0,723 МэВ.

Химические свойства

Иод относится к группе галогенов.

Электронная формула (Электронная конфигурация) иода: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁵.

Образует ряд кислот: иодоводородную (HI), иодноватистую (HIO), иодистую (HIO₂), иодноватую (HIO₃), иодную (HIO₄).

Химически иод довольно активен, хотя и в меньшей степени, чем хлор и бром.

• Довольно известной качественной реакцией на иод является его взаимодействие с крахмалом, при котором наблюдается синее окрашивание в результате образования соединения включения. Эту реакцию открыли в 1814 году Жан-Жак Колен (Jean-Jacques Colin) и Анри-Франсуа Готье де Клобри (Henri-François Gaultier de Claubry).
• С металлами иод при лёгком нагревании энергично взаимодействует, образуя иодиды:

• С водородом иод реагирует только при нагревании и не полностью, образуя иодоводород:

⇄

• Иод является окислителем, менее сильным, чем фтор, хлор и бром. Сероводород H₂S, Na₂S₂O₃ и другие восстановители восстанавливают его до иона I⁻:

Последняя реакция также используется в аналитической химии для определения иода.

• При растворении в воде иод частично реагирует с ней

pK_c=15,99

• Реакция образования аддукта нитрида трииода с аммиаком:

Это вещество почти не имеет практического значения и известно лишь своей способностью разлагаться со взрывом от малейшего прикосновения.

• Иодиды щелочных металлов очень склонны в растворах присоединять (растворять) молекулы галогенов с образованием полииодидов (периодидов) — трииодид калия, дихлороиодат(I) калия:

Применение

В медицине

5-процентный спиртовой раствор иода используется для дезинфекции кожи вокруг повреждения (рваной, резаной или иной раны), но не для приёма внутрь при дефиците иода в организме. Продукты присоединения иода к крахмалу (т. н. «Синий йод» — Йодинол, Йокс, Бетадин и др.) являются более мягкими антисептиками.

При большом количестве внутримышечных инъекций, на их месте пациенту делается йодная сетка — йодом рисуется сетка на площади, в которую делаются инъекции (например, на ягодицах). Это нужно для того, чтобы быстро рассасывались «шишки», образовавшиеся в местах внутримышечных инъекций.

В рентгенологических и томографических исследованиях широко применяются йодсодержащие контрастные препараты.

Иод-131, как и некоторые радиоактивные изотопы иода (¹²⁵I, ¹³²I) применяются в медицине для диагностики и лечения заболеваний щитовидной железы. Изотоп широко применяется при лечении диффузно-токсического зоба (болезни Грейвса), некоторых опухолей. Согласно нормам радиационной безопасности НРБ-99/2009, принятым в России, выписка из клиники пациента, лечившегося с использованием иода-131, разрешается при снижении общей активности этого нуклида в теле пациента до уровня 0,4 ГБк.

В криминалистике

В криминалистике пары иода применяются для обнаружения отпечатков пальцев на бумажных поверхностях, например на купюрах.

В технике: рафинирование металлов

Источники света

Иод используется в источниках света:

• галогеновых лампах — в качестве компонента газового наполнителя колбы для осаждения испарившегося вольфрама нити накаливания обратно на неё.
• металлогалогеновых дуговых лампах — в качестве газовой среды разряда используются галогениды ряда металлов, использование различных смесей которых позволяет получать лампы с большим разнообразием спектральных характеристик.

Производство аккумуляторов

Иод используется в качестве компонента положительного электрода (окислителя) в литиево-ионных аккумуляторах для автомобилей.

Лазерный термоядерный синтез

Некоторые иодорганические соединения применяются для производства сверхмощных газовых лазеров на возбуждённых атомах иода (исследования в области лазерного термоядерного синтеза).

Динамика производства и потребления иода

Мировое потребление иода в 2016 году составило ок. 33 тыс. тонн. Около 18 % (6 тыс. тонн) поступает от вторичной переработки. Более 95 % от мирового производства иода добывается в 6 странах: Япония, США, Туркменистан, Азербайджан, Индонезия (во всех перечисленных — из подземных рассолов) и Чили (из природных залежей иодатов в Атакаме). Большинство иода США добывается из рассолов, откачиваемых из глубоких скважин в северной Оклахоме. В Японии иод добывается как побочный продукт из иодоносных рассолов газовых скважин. В Азербайджане и Туркменистане добыча рассолов осуществляется из специально пробуренных скважин, не ассоциированных с добычей нефти или газа. В Индонезии месторождения иодоносных рассолов эксплуатируются в Моджокерто (Восточная Ява), производство идёт главным образом на внутреннее потребление.

Около 3% мирового производства иода идёт для пищевых потребностей человека, как микроэлемент (добавка в поваренную соль и отдельные пищевые добавки). Около 8% расходуется на пищевые добавки для животных. 22% идёт на производство рентгеноконтрастных веществ, используемых в медицинской диагностике, 13% на другие фармпрепараты, 7% на дезинфектанты (такие как иодная настойка), 4% на биоциды, добавляемые в краски для подавления роста плесневых грибков на окрашиваемой поверхности. 12% иода используется для производства поляризационных плёнок жидкокристаллических дисплеев (в форме полииодидов I−
3 и I−
5). 4% расходуется в форме иодида меди(I) и других иодидов в качестве добавок к полиамидам (капрон, нейлон и др.) для их стабилизации по отношению к воздействию тепла, света и кислорода.

Биологическая роль

Иод относится к микроэлементам и присутствует во всех живых организмах. Его содержание в растениях зависит от присутствия его соединений в почве и водах. Некоторые морские водоросли (морская капуста, ламинария, фукус и другие) накапливают до 1 % иода. Богаты иодом водные растения семейства рясковых. Иод входит в скелетный белок губок и скелетопротеинов морских многощетинковых червей.

Иод и щитовидная железа

У животных и человека иод входит в состав так называемых тиреоидных гормонов, вырабатываемых щитовидной железой — тироксина и трииодтиронина, оказывающих многостороннее воздействие на рост, развитие и обмен веществ организма.

В организме человека (масса тела 70 кг) содержится 12—200 мг иода; содержание иода в организме человека (общее) — порядка 0,0001 %. Суточная потребность человека в иоде определяется возрастом, физиологическим состоянием и массой тела. Для человека среднего возраста нормальной комплекции (нормостеник) суточная доза иода составляет 0,15 мг.

Отсутствие или недостаток иода в рационе (что типично для некоторых местностей) приводит к заболеваниям (эндемический зоб, кретинизм, гипотиреоз). В связи с этим к поваренной соли, поступающей в продажу в местностях с естественным геохимическим дефицитом иода, с профилактической целью добавляют иодид калия, иодид натрия или иодат калия (иодированная соль).

Недостаток иода приводит к заболеваниям щитовидной железы (например, к базедовой болезни, кретинизму). Также при небольшом недостатке иода отмечается усталость, головная боль, подавленное настроение, природная лень, нервозность и раздражительность; слабеет память и интеллект. Со временем появляется аритмия, повышается артериальное давление, падает уровень гемоглобина в крови.

Избыток иода в пище обычно легко переносится организмом, однако в отдельных случаях в людях с повышенной чувствительностью этот избыток может также привести к расстройствам щитовидной железы.

Токсичность

Иод в виде свободного вещества ядовит. Смертельная доза (LD50) — 3 г. Вызывает поражение почек и сердечно-сосудистой системы. При вдыхании паров иода появляется головная боль, кашель, насморк, может быть отёк лёгких. При попадании на слизистую оболочку глаз появляется слезотечение, боль в глазах и покраснение. При попадании внутрь появляется общая слабость, головная боль, повышение температуры, рвота, понос, бурый налёт на языке, боли в сердце и учащение пульса. Через день появляется кровь в моче. Через 2 дня появляются почечная недостаточность и миокардит. Без лечения наступает летальный исход.

ПДК иода в воде 0,125 мг/дм³, в воздухе 1 мг/м³. Иод относится ко II классу токсичности (высокоопасен) согласно ГОСТ 12.1.007-76.

Радиоактивный иод-131 (радиойод), являющийся бета- и гамма-излучателем, особенно опасен для организма человека, так как радиоактивные изотопы биохимически не отличаются от стабильных. Поэтому почти весь радиоактивный иод, как и обычный, концентрируется в щитовидной железе, что приводит к её облучению и дисфункции. Основным источником загрязнения атмосферы радиоактивным иодом являются атомные станции и фармакологическое производство. В то же время это свойство радиоиода позволяет использовать его для борьбы с опухолями щитовидной железы и диагностики её заболеваний .