Йод

Йод (химический символ — I, от греч. ἰώδης — фиолетовый) — химический элемент 17-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы седьмой группы, VIIA) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 53. Относится к галогенам. При нормальных условиях представляет собой кристаллы чёрно-серого цвета с металлическим блеском и фиолетовыми парами. Простое вещество йод (I₂) — химически активный неметалл, сильный окислитель, один из самых редких микроэлементов в земной коре, но жизненно важный для человека и животных.

История открытия

Йод был открыт в 1811 году французским химиком и технологом Бернаром Куртуа. В ходе экспериментов по получению селитры для производства пороха Куртуа обрабатывал золу морских водорослей серной кислотой. Он заметил, что в реакционном сосуде выделяется фиолетовый пар, который конденсируется в виде блестящих тёмных кристаллов. В 1813 году французские химики Жозеф Луи Гей-Люссак и Андре-Мари Ампер подтвердили открытие нового элемента, а Гей-Люссак дал ему название «йод» (от греч. ἰώδης — «фиолетовый»). В 1814 году английский химик Гемфри Дэви независимо подтвердил открытие и предложил аналогичное название.

Нахождение в природе

Йод — редкий элемент. Его содержание в земной коре составляет около 0,4—0,5 мг/кг (4—5·10⁻⁵ % по массе). В мантии и магматических породах йода мало, но он способен накапливаться в морской воде (в среднем 50—60 мкг/л), в морских организмах и в осадочных породах. Основные природные резервуары йода — Мировой океан и подземные рассолы нефтяных и газовых месторождений.

Крупнейшие месторождения йода природных вод находятся в Чили, Японии, США (штат Оклахома), Туркменистане, Азербайджане, Индонезии. В России йодные воды добывают в Краснодарском крае, на Северном Кавказе и в Западной Сибири. Морские водоросли (особенно ламинария) способны концентрировать йод, их зола в прошлом была основным источником элемента.

Физические свойства

При нормальных условиях йод — твёрдое вещество. Кристаллы йода имеют чёрно-серый цвет с фиолетовым металлическим блеском. Плотность — 4,93 г/см³. Температура плавления — 113,7 °C, температура кипения — 184,3 °C. При нагревании йод возгоняется (сублимируется), переходя из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Пары йода имеют характерный фиолетовый цвет и резкий запах. В жидком состоянии йод образует тёмно-коричневую жидкость. Йод плохо растворим в воде (0,33 г/л при 25 °C), но хорошо растворим в органических растворителях: спирте, эфире, хлороформе, бензоле, а также в водных растворах йодидов (например, KI) с образованием трийодид-ионов (I₃⁻).

Химические свойства

Йод — наименее активный из стабильных галогенов (фтор, хлор, бром, йод). Его химическая активность ниже, чем у брома и хлора. В соединениях проявляет степени окисления от −1 до +7.

Основные химические свойства:

• Реакции с металлами: при нагревании реагирует с большинством металлов, образуя йодиды (например, 2Al + 3I₂ → 2AlI₃).
• Реакции с неметаллами: с водородом реагирует обратимо и только при нагревании: H₂ + I₂ ⇄ 2HI (йодоводород). С фосфором, серой и другими неметаллами реагирует при нагревании.
• Окислительные свойства: йод — окислитель, но более слабый, чем хлор и бром. Он способен окислять сероводород, тиосульфат натрия (реакция, используемая в аналитической химии), некоторые металлы.
• Восстановительные свойства: в присутствии сильных окислителей (например, хлорной воды, азотной кислоты) йод окисляется до йодноватой кислоты HIO₃ или её солей — йодатов.
• Реакция с крахмалом: характерное качественное свойство — образование синего комплекса (клатрата) с крахмалом. Эта реакция используется для обнаружения как йода, так и крахмала.
• Реакция диспропорционирования: в щелочной среде йод диспропорционирует с образованием йодида и гипойодита, который затем разлагается до йодата.

Изотопы

Природный йод состоит из одного стабильного изотопа — ¹²⁷I. Известно 37 искусственных радиоактивных изотопов йода с массовыми числами от 108 до 144. Наибольшее значение имеют:

• ¹²⁹I — долгоживущий радиоактивный изотоп (период полураспада 15,7 млн лет), продукт деления урана и плутония, используется в геохронологии.
• ¹³¹I — радиоактивный изотоп с периодом полураспада 8,02 суток. Образуется при делении ядер урана и плутония в ядерных реакторах и при ядерных взрывах. Широко применяется в медицине для диагностики и лечения заболеваний щитовидной железы (в частности, рака щитовидной железы и тиреотоксикоза). Из-за способности накапливаться в щитовидной железе представляет серьёзную радиационную опасность при авариях на АЭС.

Получение

Промышленное получение йода основано на извлечении его из природных источников:

• Из подземных рассолов: йодсодержащие воды нефтяных и газовых месторождений обрабатывают окислителями (например, хлором, хлорной водой или азотистой кислотой), которые вытесняют йод из йодидов. Выделившийся йод адсорбируют активированным углём или отдувают воздухом, затем очищают.
• Из морских водорослей: водоросли (ламинария, фукус) сжигают, золу выщелачивают, из полученного раствора йод осаждают или экстрагируют.
• Из чилийской селитры: в отходах производства селитры (калиевая селитра) содержится йодат натрия NaIO₃, который восстанавливают до йода.

В лабораторных условиях йод получают окислением йодидов (например, KI) хлором, бромом или перманганатом калия в кислой среде.

Применение

Медицина и фармакология

Йод — один из важнейших микроэлементов для человека. Входит в состав гормонов щитовидной железы — тироксина (T₄) и трийодтиронина (T₃), которые регулируют обмен веществ, рост и развитие организма. Дефицит йода приводит к эндемическому зобу, гипотиреозу, нарушениям умственного развития у детей. В России и многих других странах проводится массовая йодная профилактика — йодирование поваренной соли.

В медицине используют:

• Спиртовой раствор йода (5% или 10%) — антисептик для обработки краёв ран, операционного поля.
• Раствор Люголя — водный раствор йода с йодидом калия, применяется для смазывания слизистых оболочек.
• Радиоактивный йод-131 — для терапии рака щитовидной железы и тиреотоксикоза.
• Йодсодержащие рентгеноконтрастные вещества — для диагностических исследований (компьютерная томография, ангиография).

Техника и промышленность

• Производство поляризационных плёнок (йод используется как дихроичный краситель).
• Металлургия — для получения высокочистых металлов (титан, цирконий, гафний) через йодидное рафинирование.
• Химическая промышленность — как катализатор в органическом синтезе (например, в производстве уксусной кислоты), для синтеза йодорганических соединений.
• Аналитическая химия — в йодометрии (титриметрический метод анализа).
• Фотография — в составе светочувствительных эмульсий (йодистое серебро).

Сельское хозяйство

Йодсодержащие удобрения и подкормки применяют для повышения урожайности и профилактики йододефицита у животных. Йод также используется как дезинфицирующее средство в ветеринарии.

Биологическая роль и йододефицит

Йод — эссенциальный микроэлемент. Суточная потребность человека составляет 100–200 мкг (в зависимости от возраста и физиологического состояния). Основные источники йода в питании: морепродукты, морская рыба, йодированная соль, молочные продукты, яйца.

Дефицит йода — одна из глобальных проблем здравоохранения. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), около 2 миллиардов человек в мире живут в условиях йодного дефицита. В России регионы, эндемичные по зобу, включают Северный Кавказ, Урал, Сибирь, Дальний Восток. Последствия дефицита: увеличение щитовидной железы (зоб), гипотиреоз, снижение интеллекта, кретинизм (при тяжёлом дефиците у плода и детей раннего возраста). Основной метод профилактики — использование йодированной соли.

Токсикология

Металлический йод и его пары токсичны. Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров йода в воздухе рабочей зоны — 1 мг/м³. При вдыхании пары йода вызывают раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, кашель, отёк лёгких. При попадании на кожу — химические ожоги. При приёме внутрь больших доз (более 2–3 г) возможны тяжёлые отравления с поражением почек, сердечно-сосудистой системы. Смертельная доза для человека — около 2–3 г. При хроническом воздействии возможен йодизм — заболевание, проявляющееся насморком, слезотечением, угревой сыпью, слюнотечением.

Интересные факты

• Йод — единственный галоген, который при нормальных условиях находится в твёрдом состоянии.
• Название элемента происходит от цвета его паров (фиолетовый).
• В XIX веке йод использовали как средство от «золотухи» (туберкулёза лимфатических узлов) и сифилиса.
• В 2011 году, после аварии на АЭС «Фукусима-1» (Япония), во многих странах наблюдался ажиотажный спрос на препараты йода, несмотря на то, что их применение без медицинских показаний может быть опасным.
• Природный йод в виде йодата кальция и натрия содержится в чилийской селитре, что позволило Чили долгое время быть одним из мировых лидеров по добыче йода.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 298–301.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 2. — С. 121–160.
• Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей / Под ред. Н. В. Лазарева. — 7-е изд. — Л.: Химия, 1977. — Т. 3. — С. 123–130.
• ВОЗ. Йодный дефицит и его последствия: глобальный доклад. — Женева, 2007.
• Медицинская химия и клиническая лабораторная диагностика / Под ред. В. В. Меньшикова. — М.: Медицина, 2002. — С. 215–220.