碘（非金属元素）
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更新时间：2023-05-22
碘
非金属元素
碘（拼音：diǎn，英语：Iodine）是一种卤族元素，其化学符号为I，原子序数为53。碘为蓝灰黑色固体片状或小晶体，呈金属结晶光泽，具有特有的辛辣气味。易溶于水、乙醇、四氯化碳、氯仿、乙醚和甘油。极易溶于强碘化物水溶液，在乙醇、乙醚或碘化物的水溶液中呈红棕色，在氯仿、四氯化碳或二硫化碳中呈是紫色的。碘是甲状腺激素甲状腺素 T₄和三碘甲腺原氨酸 T₃ 的重要组成部分，其中占T₄重量的65 %，T₃ 重量的58 %。甲状腺激素不仅调节许多重要的生化反应（蛋白质合成和酶活性）而且在代谢活动过程中起着关键的决定因素 。碘也是动物的必需元素，参与动物的生长、发育和新陈代谢的调节。碘天然存在于海带，大豆，猪肉，鸡肉，蛋黄和黄油等食物中。碘添加到某些类型的盐中，可作为膳食补充剂。人类缺乏碘会导致甲状腺肿大、克汀病、智力下降、孕妇自然流产、胎儿先天性缺陷和婴儿出生时死亡等一系列疾病和健康问题。
基本信息
中文名
碘
英文名
Iodine
拼音
diǎn
元素类别
卤素
族
Ⅶ A族
周期
5
电子排布
[Kr] 4d¹º5s² 5p⁵
CAS编号
7553-56-2
化学式
I2
相对分子质量
253.8089（I2）
物理性质
外观
具有金属光泽的重质灰黑色板状或颗粒状（I2）
气味
刺激性气味（I2）
物态
紫黑色晶体（I2）
密度
相对密度（水=1）：4.9
熔点
114℃（I2）
沸点
184.4℃（I2）
熔化热
7.9 kJ mol−162.17 J g⁻¹（I2）
汽化热
164.45 J/g（I2）
水溶性
易溶于氯仿、四氯化碳或二硫化碳形成紫色溶液。（I2）
蒸气压
25 °C 时的蒸气压，0.04 kPa（I2）
原子性质
氧化态
−1、0、+1、+3、+5、+7
电负性
2.66
原子半径
140 pm
发现历史
1811年，伯纳德·科图瓦（Bernard Courtois）发现了碘。当时拿破仑的军队需要大量的火药。硝石（硝酸钾KNO3）是火药的主要成分，需要大量的碳酸钠制造，而碳酸钠是从木灰中提取的，由于战争持续的时间较长，首选的柳树木材被耗尽。有人建议使用干燥的海藻作为原料来生产火药，而在制造硝石的过程中，产生了过量的硫化合物，为了去除这些硫化物，科学家考图向其加入硫酸，但一不小心加入了过多的硫酸，紫色蒸汽云升起了，房间里弥漫着一股像氯气一样的刺激性气味。当蒸汽凝结在冷物体上时，没有液体形成，而是出现了一定量的黑色晶体，表面光泽类似金属。
接着伯纳德·库尔图瓦认为它是一种新物质，并对这种新物质进行了一些小实验，指出它与磷、氢和一些金属结合良好，但不易与氧或碳结合。此外，他还发现，当与氨混合时，它具有一定的爆炸性，并且在燃烧时不会分解。由于缺乏资金，伯纳德·库尔图瓦将样品提供了两个团队，路易·约瑟夫·盖伊·卢萨克（Louis-Joseph Gay-Lussac，1778-1850）和 安德烈·M·安培André M. Ampère，1775-1836），然后两方都对该物质进行研究，Gay Lussac和AndréM.Ampère研究发现，这种物质可能是一种元素，也可能是一种氧的化合物。
1895年，Bauman在甲状腺中检测到高浓度的碘，并提出甲状腺提取物中的活性成分含有碘。
分布情况
大气中的碘
大气中碘的浓度是来自海洋和陆地的碘与以干湿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转化为甲基碘并将其释放到大气中。甲基碘是唯一可以在自然过程中产生并被检测出来的有机碘化物，已经在大气中检测到甲基碘的存在。大气中碘的存在状态相当复杂，碘可以以游离的元素碘、甲基碘、次碘酸盐、碘酸盐的状态存在，同时也可以以它们与O₃，NO，NO₂，CO发生复杂的大气化学反应后的产物的状态存在，还可以被大气中的颗粒物所吸附。
土壤中的碘
碘 (I) 是地球表面含量最少元素之一，土壤中只有大约 3mg kg ⁻¹的总碘，土壤中的碘主要来自大气干湿沉降、植物吸收大气碘后植物残体的腐烂、土壤母质的风化以及动物排泄物和人为活动中。土壤中铁铝氧化物、粘土矿物、腐殖酸类有机物越高，则碘含量就越高。此外，土壤与植物和大气之间存在着碘的交换。植物通过根系吸收土壤中的碘，它死亡腐烂时除将自土壤中吸收的碘返还到土壤，还能将从大气中吸收的碘转移给土壤。大气的干湿沉降直接把碘输入土壤，土壤中的碘也可以变成元素碘直接挥发进入大气。
植物中的碘
用碘对作物进行生物强化是一种具有成本效益的预防碘缺乏的方法，因为食品中的碘很容易被生物利用和吸收。植物可以积累这种元素，但通常在水果和蔬菜中的来源较少。增加对土壤的碘施用量可以增加作物中的碘积累。植物中碘的生理学特征很差。植物可以通过根系和空气吸收土壤溶液中的碘，也可以通过雨水溶解在盐分溶液中，穿过叶片的气孔和表皮层进入。在植物组织中，碘在液泡中积累，积累过程主要是从根到叶，再到茎。在植物组织中，碘的无机形式，主要是 I ⁻占主导地位，但它也可以被吸收为 IO₃⁻ 。此外，植物也可以吸收碘水杨酸盐、碘苯甲酸盐、单碘酪氨酸、二碘酪氨酸和三碘甲状腺原氨酸形式的有机分子。含碘的植物主要有海藻、海带和昆布。
人体中的碘
碘是甲状腺激素甲状腺素（T4）和三碘甲状腺原氨酸（T3）的主要成分。碘主要集中在甲状腺中。一个健康的成年人体内含有 15-20mg的碘，其中 70-80% 储存在甲状腺中。一个人每天摄入的碘量为 500μg；成人每日生理需要量为150μg；孕期和哺乳期为200μg；新生儿期为40μg。正常情况下，甲状腺会吸收大约 120μg的碘化物来合成甲状腺激素 。成年人全身含有约20mg碘，其中高达80 %存在于甲状腺中。另一个重要的碘库是人体的唾液腺，每天由甲状腺吸收约115µg碘化物，其中约75µg用于激素合成和甲状腺球蛋白储存，剩余部分返回细胞外液。甲状腺储存约10mg，以保护身体碘的缺乏期。
矿物中的碘
地壳中没有独立的碘矿床。碘元素一般呈分散状态，伴生于石盐矿床中，可以综合回收，如四川自贡井盐和青海察尔汗盐湖、海别勒滩盐湖的卤水中含碘0.6~3 mg/L。
理化性质
物理性质
碘为蓝灰黑色固体片状或小晶体，呈金属结晶光泽，具有特有的辛辣气味。易溶于水、乙醇、四氯化碳、氯仿、乙醚、甘油。极易溶于强碘化物水溶液。在乙醇、乙醚或碘化物的水溶液中呈红棕色。在氯仿、四氯化碳或二硫化碳中呈是紫色的。当碘溶解在极性溶剂中时，极性溶剂是强供体溶剂，如酮、醚、吡啶，电荷转移络合物的形成导致两个分子轨道之间的能隙改变，从而吸收不同波长的光。碘接受溶剂中的电子，分子进入其最低未占据分子轨道（LUMO）。这降低了碘原子从最高占据分子轨道（HOMO）到其LUMO的跃迁能量，从而将颜色从特征的紫色变为棕色和其他颜色。
同位素
碘有34 种碘同位素，其中包括14个放射性同位素 ¹²² I至¹²⁶ I和¹²⁸ I至¹³⁶ I，同位素半衰期差异很大，最短的¹³⁶I半衰期为86秒；最长的¹²⁹ I半衰期为1.72×10⁷年。其所有的同位素都有53个质子，天然存在的碘同位素有¹²⁷I和¹²⁹ I，其中¹²⁷ I是唯一的稳定碘同位素，¹²⁹ I是自然界中半衰期最长的碘同位素，但主要由人类核活动产生和释放。生物医学中主要使用的三种同位素为放射性碘是¹²⁵ I 、¹³¹ I和¹²³ I ，其中¹³¹ I 的放射性半衰期为 8 天，是高能发射体，主要用于治疗甲状腺功能亢进症和甲状腺癌，也可以用于成像；¹²³ I 的放射性半衰期为 13 小时，已取代¹³¹ I 用于诊断目的；¹²⁵ I 的放射性半衰期为 60 天，是低能发射体，以前曾用于治疗甲状腺功能亢进症，但因治疗效果令人失望而被 I 所取代。
化合物
碘存在于形式氧化态为−1、+1、+3、+5和+7的化合物中。高形式正氧化态主要存在于具有极负电元素氧和氟（IO ⁻、IO₃⁻、IO₄4⁻、IF₃、IF₅ 、IF₇）的化合物中。碘的主要化学形式是碘化物（I⁻，形式氧化态−1），碘酸盐（IO₃⁻，−5）和有机碘化合物（R–I）。下面对碘的一些化合物进行简单介绍：
氢碘酸
氢碘酸是一种一元酸，酸性比氯化氢和溴化氢更强，是一种无色溶液，可由碘化氢气体溶解在水中形成。氢碘酸和水的混合物在57 %HI（馏出物）时的最大恒定沸点为127 °C。而碘化氢（HI）是四种常见卤化氢中最不稳定的，也是最好的还原剂，由于其容易氧化，可将钒酸、一氧化二氮还原成铵、一氧化二氮还原成一氧化氮、硝酸还原成亚硝酸，其可通过弱酸（如H₂S）与碘的作用或通过某些碘化物的水解制备，但氢碘酸不能通过H₂SO₄与碘化物的作用而制备。
碘的含氧酸
碘金属化合物
离子碘化物
多卤化物
多卤化物
碘与碱金属和一种或两种其他卤素的混合物，如NH₄IBr₂、KICl₂、RbICl₂、HICl₄·4H₂O、CsFIBr、RbClIBr、CsClIBr和KIF₆。这些化合物中的大多数很容易水解，在加热时分解，生成最大晶格能的金属卤化物，并电离生成CIICl⁻、BrIBr⁻和BrII⁻等离子。
高碘酸盐
高碘酸钠（Na₂H₃IO₆）是由碘酸钠、氢氧化钠和氯反应形成的。高碘酸盐从介质中分离为晶体，在溶液中，高碘酸盐在常温下逐渐形成臭氧和碘酸盐。金属高碘酸盐是固体，微溶于水。高碘酸盐在加热时放出氧气，同时生成碘酸盐，在较高温度下分解。高碘酸盐在酸溶液中将氢硫酸或亚硫酸氧化为H₂SO₄，将草酸氧化为CO₂，将锰酸氧化为锰酸盐，并与过氧化氢一起生成氧气和碘酸盐。
化学性质
与空气和水的反应
- 碘与氧气在加热条件下生成三碘酸碘。反应如下：
- 碘与水在日光下加热生成氢碘酸，氢碘酸的水溶液在空气中逐渐氧化为游离碘，使溶液生成褐色。反应如下：
- 碘与重水反应生成碘化氘。反应如下：
与单质的反应
- 碘与氢气在钯或铂作催化剂加热的条件下生成碘化氢。反应如下
- 纯氘和纯碘在高度真空中，用空气浴加热至370 ℃，2小时反应生成碘化氘。反应如下
- 碘与氟反应生成一氟化碘。反应如下：
- 碘与氯在常温下等物质的量混合反应生成一氟化碘。反应如下：
与酸的反应
- 碘与硫酸在加热条件下反应生成硫酸氧碘。反应如下：
- 碘与硝酸反应生成高碘酸。反应如下：
与碱的反应
- 碘与氢氧化钠在55 ℃下反应生成碘酸钠。反应如下：
生理功能
碘的生理作用
- 碘能够调节组织内的水代谢，促进维生素的吸收利用，促进蛋白质的合成与分解，调节糖和脂肪的代谢。
- 碘能激活孕妇体内许多重要酶化合物，促进物质代谢和孕妇及胎儿的生长发育。
在人体中的代谢
碘可以通过摄入、吸入或皮肤接触进入人体。在人体肠道中，碘被代谢为碘化物，在健康成人中，>90 % 被吸收 。 人体正常状态下，甲状腺内以甲状腺激素和碘化酪氨酸形式储存的有机碘高达8-10 mg。甲状腺每天从细胞外液碘池摄取碘离子120 μg，其中60 μg用于合成甲状腺激素(T3、T4)，其余60 μg返回细胞外液碘池。
血清中的碘主要以下列两种形式存在：一种是无机碘化物，主要以碘的离子状态存在，约占血清中总碘量的5%～10%；另一种是有机碘化物，与蛋白结合的碘称为蛋白结合碘。有机碘化物主要存在于T3、T4、DIT、MIT和TG中，约占血清中总碘含量的90 %～95 %。血清中与蛋白质结合的碘含量是相对恒定的，并在一定程度上间接反映了TH的水平和甲状腺的功能状态。正常成人血清中碘的含量受饮食中碘的影响，人体碘的80 %-90 %来自食物，10 %-20 %来自饮水，极少量来自空气。食物中的碘化物主要以I-形式被机体吸收，但食物中的a、Mg、Fe等离子可妨碍肠道碘的吸收。经消化道吸收的碘主要被浓聚在甲状腺组织中，小部分经肾排出体外。妇女哺乳期经乳汁排出的碘量较多，粪和皮肤的碘排泄量很少。
人体推荐摄入量
碘的推荐量 | ||||
年龄 | 男性 | 女性 | 怀孕 | 哺乳期 |
出生至6个月 | 110 μg | 110 μg | ||
7-12个月 | 130 μg | 130 μg | ||
1-3年 | 90 μg | 90 μg | ||
4-8岁 | 90 μg | 90 μg | ||
9-13岁 | 120 μg | 120 μg | ||
14-18岁 | 150 μg | 150 μg | 220 μg | 290 μg |
19岁以上 | 150 μg | 150 μg | 150 μg | 290 μg |
人体可耐受最高摄入量
碘的可耐受最高摄入量 | ||||
年龄 | 男性 | 女性 | 怀孕 | 哺乳期 |
出生至6个月 | 不可能建立 | 不可能建立 | ||
7-12个月 | 不可能建立 | 不可能建立 | ||
1-3年 | 200 μg | 200 μg | ||
4-8岁 | 200 μg | 300 μg | ||
9-13岁 | 600 μg | 600 μg | ||
14-18岁 | 900 μg | 900 μg | 900 μg | 900 μg |
19岁以上 | 1100 μg | 1100 μg | 1100 μg | 1100 μg |
制备方法
离子交换法
碘在海带浸泡水中以离子状态存在，为了能使碘在离子交换柱中能被吸附，必须先将浸泡液加酸酸化，通入氯气或次氯酸钠，使碘盐氧化游离，再通入专柱吸附提碘。然后用亚硫酸钠解吸。解吸液用硫酸酸化，再加入氯酸钾碘析为粗碘。粗碘的精制多采用熔融法系将粗碘和四分之一倍浓硫酸混合(重量比)，在120-160℃的釜中使碘熔融，经冷却结晶，可得精碘。不同阶段的反应式为：
氧化
吸附
解吸
碘析
空气出吹法
空气吹出法 空气吹出法提碘，适用于含碘量较高的液料，如制盐母液。反应如下：
此外可以在卤水中提取碘。
应用领域
农业方面
光谱学方面
用作照相感光乳剂，也用于制造电子仪器的单晶棱镜、光学仪器的偏光镜和通透过红外线的玻璃。
工业方面
医药方面
食品方面
其他方面
安全事宜
对人体的影响
碘缺乏最严重的副作用是对胎儿的损害。母体甲状腺素在10–12周胎儿甲状腺功能开始前穿过胎盘，占出生时脐带血中T4的20–40%。胎儿大脑神经元迁移和髓鞘形成需要正常量的甲状腺激素，碘缺乏会不可逆转地损害大脑发育，缺碘会导致流产以及死产。此外，碘摄入过多时会产生多种反应，主要包括甲状腺炎、甲状腺肿、甲状腺功能减退、甲状腺功能亢进、敏感性反应和急性反应。
对植物的影响
植物体内碘含量随着外源体内碘含量的增加而增加，叶菜类对碘的累积能力最强，其次为茎菜类，而根菜类较弱。不同植物对不同剂量碘的反应不一样。碘浓度过高可引起植物生长矮小产量减少等，甚至诱发植物病害的发生。
对生理功能的影响
- 眼睛：眼睛接触可能会导致严重的眼部灼伤。
- 心血管：心动过速、低血压和循环衰竭可能是由于摄入了腐蚀性浓碘溶液所致。
- 神经系统：严重中毒后可能会出现头痛、头晕、精神错乱和昏迷。
- 皮肤：皮肤接触强碘应用溶液可能会导致灼伤。慢性摄入可能导致碘中毒，其特征为痤疮形成的皮肤损伤和其他皮疹。皮肤吸收较为严重时可能会导致全身症状和死亡。
主要不良反应：
- 内分泌系统影响：碘的化合物会导致甲状腺肿大、甲状腺功能减退症和甲状腺功能亢进症。甲状腺外副作用有胃肠道不适（恶心、疼痛）、味觉异常、皮肤和粘膜如刺激、皮疹、水肿、过敏样反应如发热、嗜酸性粒细胞增多、血清病样症状和血管炎。
- 胃肠道影响：碘的腐蚀作用会使胃肠道受到一定的影响，其症状主要包括金属味、呕吐、腹痛和腹泻。如果患者在急性期存活下来，可能会发生食管狭窄。
- 肾脏影响：接触后 1 至 3 天可能会出现无尿。
消防
碘不可燃，本身不燃烧，但在加热时可能会分解产生腐蚀性或有毒烟雾。有些是氧化剂，可能会点燃木材，纸张，和衣物等。碘与金属接触可能会释放出易燃的氢气。此外，含碘的容器在加热时可能会发生爆炸。
小火：可以使用干粉、二氧化碳等方式进行灭火。
大火：采用干粉、二氧化碳、抗溶性泡沫或喷水等方式进行灭火。如果排气安全装置发出响亮的声音或罐体变色，应立即撤离。如果油罐车、轨道车或油罐车发生火灾，在所有方向隔离 800 米。
急救措施
眼睛：当碘接触到眼睛，应立即用大量水冲洗眼睛，偶尔提起下眼睑和上眼睑，然后立即就医。
皮肤：碘接触到皮肤，应立即用肥皂和水清洗受污染的皮肤。如果碘渗入衣服，应立即脱掉衣服，用肥皂和水清洗皮肤，并及时就医。
呼吸：人体吸入大量碘时，应立即将暴露的人转移到新鲜空气中。如果呼吸停止，应立刻进行人工呼吸，并尽快就医。
吞咽：一不小心吞咽碘时，应立即就医。
溢出处理
禁止碘进入环境，防止泄漏的碘进入到有盖的密封容器中，小心收集剩余物，然后根据当地法规进行储存和处置。碘有毒和腐蚀性，一旦泄露应隔离所有方向的溢出或泄漏区域至少 50 米，必要时，在下风方向增加即时预防措施的距离。
储存
应储存在阴凉和通风良好的地方，避免阳光直射，远离火灾危险区域，并定期检查。
