Введение
Йод знают все. Порезав палец, мы тянемся к склянке с йодом, точнее, с его спиртовым раствором. Но не все знают, насколько важно
содержание йода в нашем организме. Йод является очень сильным антисептическим препаратом. Однако йод служит не только для смазывания
ссадин и царапин. Хотя йода в человеческом организме всего 25 мг, он играет важную роль. Большая часть "человеческого йода" находится в
щитовидной железе: он входит в состав вещества, которое регулирует обмен веществ в организме. При недостатке йода задерживается физическое
и умственное развитие и возникает болезнь, называющаяся эндемический зоб. Это чаще случается в высокогорных районах, где естественное
содержание йода в воздухе, воде и пище очень низкое.
Йод — химический элемент VII группы периодической системы Менделеева. Атомный номер — 53. Относительная атомная масса — 126,9045 ±
0,0001. Галоген. Из имеющихся в природе галогенов — самый тяжёлый, если, конечно, не считать радиоактивный короткоживущий астат.
Практически весь природный йод состоит из атомов одного-единственного изотопа с массовым числом 127, его содержание в земной коре — 4х10-
5% по массе. Радиоактивный йод-125 образуется в ходе естественных радиоактивных превращений. Из искусственных изотопов йода важнейшие —
йод-131 и йод-133, их в основном используют в медицине.
I2 — галоген. Темно-серые кристаллы с металлическим блеском. Летуч. Плохо растворяется в воде, хорошо — в органических растворителях (с
фиолетовым или коричневым окрашиванием раствора) или в воде с добавкой солей-йодидов. Слабый окислитель и восстановитель. Реагирует с
концентрированными серной и азотной кислотами, металлами, неметаллами, щелочами, сероводородом. Образует соединения с другими галогенами.
Молекула элементного йода, как и прочих галогенов, состоит из двух атомов. Йод — единственный из галогенов — находится в твёрдом
состоянии при нормальных условиях. Красивые тёмно-синие кристаллы йода больше всего похожи на графит. Отчётливо выраженное
кристаллическое строение, способность проводить электрический ток — все эти "металлические" свойства характерны для чистого йода.
Открытие йода
Конец XVII и начало XVIII века были отмечены в Европе непрекращающимися войнами. Требовалось много пороха и, следовательно, много
селитры. Производство селитры приняло невиданные масштабы: наряду с обыкновенным растительным сырьём в дело шли и морские водоросли. В
них и обнаружили новый химический элемент.
Одним из французских селитроваров был химик и промышленник Бернар Куртуа (1777 – 1838), он был весьма наблюдательным человеком.
Считается, что именно это помогло ему в 1811 г. стать первооткрывателем нового химического элемента — йода. Однажды он заметил, что медный
котёл, в котором выпаривался щелок, полученный из фукуса, ламинарий и других бурых водорослей, быстро разрушается, как будто его разъедает
какая-то кислота. Куртуа решил выяснить, в чём тут дело. Осадив и удалив из раствора соли натрия, он выпарил раствор, обнаружил в котле сульфид
калия и, чтобы разложить его, прилил к осадку концентрированной серной кислоты — и тут появился фиолетовый дым. Куртуа повторил опыт, на этот
раз в реторте, и в приёмнике реторты осели блестящие чёрные пластинчатые кристаллы.
Йодид натрия из водорослей, взаимодействуя с серной кислотой, выделяет йод I2; одновременно образуется сернистый газ — диоксид серы
SO2 и вода:
2NaI + 2H2SO4 = I2 + SO2 + Na2SO4 + 2H2O.
При охлаждении пары йода превращались в темно-серые кристаллы с ярким блеском. Куртуа писал: "В маточном растворе щелока, полученного
из водорослей, содержится довольно большое количество необычного вещества. Его легко выделить: для этого достаточно прилить серную кислоту
к данному раствору и нагреть смесь в реторте... Новое вещество осаждается в приемнике в виде черного порошка, который при нагревании
превращается в пары великолепного фиолетового цвета".
Название новому элементу присвоил в 1813 году французский химик Жозеф-Луи Гей-Люссак (1778 – 1850) за фиолетовый цвет его паров
("йодос" по-гречески значит "фиолетовый"). Он же получил многие производные нового элемента — йодоводород HI, йодноватую кислоту HIO3, оксид
йода (V) I2O5, хлорид йода ICl и другие. Практически одновременно элементарную природу йода доказал и английский химик Гэмфри Дэви (1778 –
1829).
Распространение в природе
Среднее содержание йода в земной коре 4*10-5% по массе. В мантии, магмах и в образовавшихся из них породах (гранитах, базальтах)
соединения йода рассеяны; глубинные минералы йода неизвестны. История йода в земной коре тесно связана с живым веществом и биогенной
миграцией. В биосфере наблюдаются процессы его концентрации, особенно морскими организмами (водорослями, губками). Известны 8
гипергенных минералов йода, образующихся в биосфере, однако они очень редки. Основным резервуаром йода для биосферы служит Мировой
океан (в 1 литре в среднем содержится 5*10- 5 г йода). Из океана соединения йода, растворенные в каплях морской воды, попадают в атмосферу и переносятся ветрами на
континенты. Местности, удаленные от океана или отгороженные от морских ветров горами, обеднены йодом. Йод легко адсорбируется органическими веществами почв и морских илов
(адсорбция — связывание одного вещества на поверхности другого вещества, как правило, твёрдого тела). При уплотнении этих илов и образовании осадочных горных пород происходит
десорбция, часть соединений йода переходит в подземные воды. Так образуются используемые для добычи йода йодо-бромные воды, особенно характерные для районов нефтяных
месторождений (местами 1 литр этих вод содержит свыше 100 мг йода).
Физические и химические свойства
Плотность йода 4,94 г/см3, tпл 113,5. °С, tкип 184,35 °С. Молекула жидкого и газообразного йода состоит из двух атомов (I2). Заметная
диссоциация I2U2I наблюдается при температурах выше 700 °С, а также при действии света. Уже при обычной температуре йод испаряется, образуя
резко пахнущий фиолетовый пар. При слабом нагревании йод возгоняется, оседая в виде блестящих тонких пластинок; этот процесс служит для
очистки йода в лабораториях и в промышленности. Йод плохо растворим в воде (0,33 г/л при 25 °С), хорошо — в сероуглероде и органических
растворителях (бензоле, спирте), а также в водных растворах йодидов.
Конфигурация внешних электронов атома йода 5s2 5p5. В соответствии с этим проявляет в соединениях переменную валентность (степень
окисления): -1 (в HI, KI); +1 (в HIO, KIO); +3 (в IСl3); +5 (в НIO3, КIO3); и +7 (в HIO4, KIO4). Химически йод довольно активен, хотя и в меньшей степени,
чем хлор и бром. С металлами йод при легком нагревании энергично взаимодействует, образуя йодиды (Hg + I2 = HgI2). С водородом йод реагирует
только при нагревании и не полностью, образуя йодистый водород. Элементный йод — окислитель, менее сильный, чем хлор и бром. Сероводород
H2S, тиосульфат натрия Na2S2O3 и другие восстановители восстанавливают его до I– (I2 + H2S = S + 2НI). Хлор и другие сильные окислители в водных
растворах переводят его в IO3–. При растворении в воде йод частично реагирует с ней; в горячих водных растворах щелочей образуются йодид и
йодат. Адсорбируясь на крахмале, йод окрашивает его в темно-синий цвет; это используется в йодометрии и качественном анализе для обнаружения
йода. Пары йода ядовиты и раздражают слизистые оболочки. На кожу йод оказывает прижигающее и обеззараживающее действие. Пятна от йода
смывают растворами соды или тиосульфата натрия.
Получение
Сырьем для промышленного получения йода в России служат нефтяные буровые воды; за рубежом — морские водоросли, а также маточные
растворы чилийской (натриевой) селитры, содержащие до 0,4% йода в виде йодата натрия. Для извлечения йода из нефтяных вод (содержащих
обычно 20 – 40 мг/л йода в виде йодидов) на них сначала действуют хлором или азотистой кислотой. Выделившийся йод либо адсорбируют активным
углем, либо выдувают воздухом. На йод, адсорбированный углем, действуют едкой щелочью или сульфитом натрия. Из продуктов реакции
свободный йод выделяют действием хлора или серной кислоты и окислителя, например дихромата калия. При выдувании воздухом йод поглощают
смесью двуокиси серы с водяным паром и затем вытесняют йод хлором. Сырой кристаллический йод очищают возгонкой.
Йод в организме
Йод — необходимый для животных и человека микроэлемент. В почвах и растениях таёжно-лесной нечерноземной, сухостепной, пустынной и
горных биогеохимических зон йод содержится в недостаточном количестве или не сбалансирован с некоторыми другими микроэлементами (Са, Mn,
Cu); с этим связано распространение в этих зонах эндемического зоба. Среднее содержание йода в почвах около 3*10-4%, в растениях около 2*10-
5%. В поверхностных питьевых водах йода мало (от 10-7 до 10-9%). В приморских областях количество йода в 1 м3 воздуха может достигать 50 мкг, в
континентальных и горных — составляет 1 или даже 0,2 мкг.
Поглощение йода растениями зависит от содержания в почвах его соединений и от вида растений. Некоторые организмы (так называемые
концентраторы йода, например морские водоросли — фукус, ламинария, филлофора, накапливают до 1% йода, некоторые губки — до 8,5% (в
скелетном веществе спонгине). Водоросли, концентрирующие йод, используются для его промышленного получения. В животный организм йод
поступает с пищей, водой, воздухом. Основной источник йода — растительные продукты и корма. Всасывание йода происходит в передних отделах
тонкого кишечника. В организме человека накапливается от 20 до 50 мг йода, в том числе в мышцах около 10 – 25 мг, в щитовидной железе в норме 6
– 15 мг. С помощью радиоактивного йода (I131 и I125 ) показано, что в щитовидной железе йод накапливается в митохондриях эпителиальных клеток и
входит в состав образующихся в них алл- и монойодтирозинов, которые конденсируются в гормоне тетрайодтиронин (тироксин). Выделяется йод из
организма преимущественно через почки (до 70 – 80%), молочные, слюнные и потовые железы, частично с жёлчью.
В различных биогеохимических провинциях содержание йода в суточном рационе колеблется (для человека от 20 до 240 мкг, для овцы — от 20
до 400 мкг). Потребность животного в йода зависит от его физиологического состояния, времени года, температуры, адаптации организма к
содержанию йода в среде. Суточная потребность в йоде человека и животных — около 3 мкг на 1 кг массы (возрастает при беременности,
усиленном росте, охлаждении). Введение в организм йода повышает основной обмен, усиливает окислительные процессы, тонизирует мышцы.
В связи с большим или меньшим недостатком йода в пище и воде применяют йодирование поваренной соли, содержащей обычно 10 – 25 г
йодистого калия на 1 тонну соли. Применение удобрений, содержащих йод, может удвоить и утроить его содержание в сельскохозяйственных
культурах. Кроме йодирования соли в последние годы стали широко применять йодирование других продуктов. Йод добавляют в некоторые
хлебобулочные изделия, молоко, всё большее распространение получают так называемые БАДЫ (биологически активные добавки), содержащие
йод, такие как "Йод-актив", "Йодомарин", "Цыгапан", "Кламин" и некоторые другие. Одним из самых известных препаратов для восполнения
содержания йода в организме считается "Йод-актив". Мы обязаны появлению этого препарата Павлу Флоренскому. Как инженер он был жёстким и
расчётливым реалистом. А вот к науке у него с детства была огромная страсть. Павлу Флоренскому было 10 лет, когда он впервые прочёл книгу
Фарадея. И Майкл стал его кумиров на всю жизнь. У Флоренского никогда не было сомнений, что открыл йод конечно Фарадей! Не случайно
последним открытием Флоренского стала формула уникального йодистого препарата, способного оберегать человека от тяжелых болезней.
Открытие великого русского учёного имеет планетарное значение. Ведь проблема нехватки йода волнует граждан во всём мире. Дефицитом йода
страдают около 1,5 миллиардов человек. В том числе в России от недостатка йода страдает около 70% населения. Беда, точнее катастрофа, бушует
на планете. Из-за постоянной нехватки йода люди порой не блещут умом, даже взрослые. Такие люди отличаются взрывным характером, а потому
часто терпят неудачи на работе и в личной жизни. Учёные Всемирной организации здравоохранения уже однозначно пришли к выводу, что
коэффициент интеллекта IQ напрямую зависит от содержания йода в организме.
Йод и человек
Организм человека не только не нуждается в больших количествах йода, но и с удивительным постоянством сохраняет в крови постоянную
концентрацию (10-5 – 10-6%) йода, так называемое йодное зеркало крови. Из общего количества йода в организме (около 25 мг) больше половины
находится в щитовидной железе. Почти весь йод, содержащийся в этой железе, входит в состав различных производных тирозина — гормона
щитовидной железы, и только незначительная часть его (около 1%) находится в виде неорганического йода I1–..
Большие дозы элементного йода опасны: доза в 2 – 3 г смертельна. В то же время в форме йодида допускается приём внутрь в больших дозах.
Если ввести в организм с пищей значительное количество неорганических солей йода, концентрация его в крови повысится в 1000 раз, но уже
спустя 24 часа йодное зеркало крови придёт в норму внутреннего обмена, что практически не зависит от условий эксперимента.
В медицинской практике йодорганические соединения используется для рентгенодиагностики. Достаточно тяжелые ядра атомов йода
рассасывают рентгеновские лучи. При введении внутрь организма такого диагностического средства получают исключительно чёткие рентгеновские
снимки отдельных участков тканей и органов.
Болезни, связанные с недостатком йода
Еще в 1854 г. Француз Шатен — превосходный химик-аналитик — обнаружил, что распространенность заболевания зобом находится в прямой
зависимости от содержания йода в воздухе, почве, потребляемой людьми пище. Коллеги опротестовали выводы Шатена; более того, Французская
академия наук признала их вредными. Что же касается происхождения болезни, то тогда считали, что её могут вызвать 42 причины — недостаток
йода в этом перечне не фигурировал.
Недостаток йода вначале приводит лишь к небольшому увеличению щитовидной железы, но, прогрессируя, эта болезнь поражает многие
системы организма. В результате, нарушается обмен веществ, замедляется рост. В отдельных случаях эндемический зоб может привести к глухоте,
кретинизму… Эта болезнь больше всего распространена в горных районах и в местах, сильно удаленных от моря.
О широком распространении болезни можно судить даже по произведению живописи. Один из лучших портретов Рубенса — "Соломенная
шляпка". У красивой женщины, изображённой на портрете, заметна припухлость кожи (врач сразу сказал бы: увеличена щитовидка). Те же симптомы и
у Андромеды с картины "Персей и Андромеда". Признаки йодной недостаточности видны так же у некоторых людей, изображенных на портретах и
картинах Рембрандта, Дюрера, Ван-Дейка.
Интересно отметить, что история лечебного применения йода уходит в глубь веков. Целебные свойства веществ, содержащих йод, были
известны за 3 тыс. лет до того, как был открыт этот элемент. Китайский кодекс 1567 г. до н. э. рекомендует для лечения зоба морские водоросли.
Благодаря включению в свой рацион морской капусты жители северо-восточной провинции Китая Мукден, несмотря на недостаток йода в этой
географической зоне, не страдали эндемическим зобом. Об их здоровье в своё время позаботился император Канси. Он предписал местным
жителям съедать по 5 тинь (2 кг) морской капусты в год. И вот уже почти 2 тыс. лет послушные мукденцы неукоснительно выполняют мудрый
императорский указ.
Наиболее высокое содержание йода в водорослях:
· в сухой ламинарии — 26 – 180 мг на 100 г продукта;
· в сухой морской капусте — 200 – 220 мг на 100 г продукта.
В морской рыбе и продуктах моря содержание йода достигает 300 – 3000 мкг на 100 г продукта.
Также источником йода для человека являются: мясо, молоко, яйца, овощи.
Йод в медицине
Антисептические свойства йода в хирургии первым использовал врач Буанэ. Как ни странно, самые простые лекарственные формы йода —
водные и спиртовые растворы — очень долго не находили применения в хирургии, хотя ещё в 1865 – 1866 гг. великий русский хирург Н. И. Пирогов
применял йодную настойку при лечении ран.
Препараты, содержащие йод, обладают антибактериальными и противогрибковыми свойствами, они оказывают также противовоспалительное
и отвлекающее действие; их применяют наружно для обеззараживания ран, подготовки операционного поля. При приеме внутрь препараты йода
оказывают влияние на обмен веществ, усиливают функцию щитовидной железы. Малые дозы йода (микройод) тормозят функцию щитовидной
железы, действуя на образование тиреотропного гормона передних долей гипофиза. Поскольку йод влияет на белковый и жировой (липидный) обмен,
он нашел применение при лечении атеросклероза, так как снижает содержание холестерина в крови; повышает также фибринолитическую активность
крови.
Для диагностических целей используют рентгеноконтрастные вещества, содержащие йод. При длительном применении препаратов йода и при
повышенной чувствительности к ним возможно появление йодизма — насморк, крапивница, отек квинке, слезотечение, угревидная сыпь (йододерма)
. Препараты йода нельзя принимать при туберкулезе легких, беременности, при заболеваниях почек, хронической пиодермии, геморрагических
диатезах, крапивнице.
Йод радиоактивный
Искусственно радиоактивные изотопы йода — I125, I131, I132 и другие — широко используются в биологии и особенно в медицине для
определения функционального состояния щитовидной железы и лечения ряда её заболеваний. Применение радиоактивного йода в диагностике
связано со способностью йода избирательно накапливаться в щитовидной железе; использование в лечебных целях основано на способности b-
излучения радиоизотопов йода разрушать секреторные клетки железы. При загрязнениях окружающей среды продуктами ядерного деления
радиоактивные изотопы йода быстро включаются в биологический круговорот, попадая, в конечном счете, в молоко и, следовательно, в организм
человека. Особенно опасно их проникновение в организм детей, щитовидная железа которых в 10 раз меньше, чем у взрослых людей, и к тому же
обладает большей радиочувствительностью. С целью уменьшения отложения радиоактивных изотопов йода в щитовидной железе рекомендуется
применять препараты стабильного йода (по 100 – 200 мг на прием). Радиоактивный йод быстро и полностью всасывается в желудочно-кишечном
тракте и избирательно откладывается в щитовидной железе. Его поглощение зависит от функционального состояния железы. Относительно высокие
концентрации радиоизотопов йода обнаруживаются также в слюнных и молочной железах и слизистой желудочно-кишечного тракта. Не поглощенный
щитовидной железой радиоактивный йод почти полностью и сравнительно быстро выделяется с мочой.
Применение йода
Йод и его соединения применяют, главным образом, в медицине и в аналитической химии, а также в органическом синтезе и фотографии. В
промышленности применение йода пока незначительно по объему, но весьма перспективно. Так, на термическом разложении йодидов основано
получение высокочистых металлов.
Сравнительно недавно йод стали использовать в производстве ламп накаливания, работающих по йодо-вольфрамовому циклу. Йод
соединяется с частичками вольфрама, испарившегося со спирали лампы, образует соединение WI2, которое, попав на нагретую спираль,
разлагается. Вольфрам при этом вновь возвращается на спираль, а йод опять соединяется с испарившемся вольфрамом. Йод как бы заботится о
сохранении вольфрамовой спирали и тем самым значительно увеличивает время работы лампы.
Также 0,6% йода, добавленного к углеводородным маслам, во много раз снижает трение в подшипниках из нержавеющей стали и титана. Это
позволяет увеличить нагрузку на трущиеся детали более чем в 50 раз.
Йод применяют для изготовления специального поляроидного стекла. В стекло вводят кристаллы солей йода, которые распределяются строго
закономерно. Колебания светового луча не могут проходить через них во всех направлениях. Получается своеобразный фильтр, называемый
поляроидом, который отводит встречный слепящий поток света. Такое стекло используют в автомобилях. Комбинируя несколько поляроидов или
вращая поляроидные стёкла, можно достигнуть исключительно красочных эффектов — это явление используют в кинотехнике и в театре. Также йод
применяется в фотоделе. Современный способ фотографирования был изобретён англичанином У. Толботом. В основе его способа фотографии
лежит фотохимическая реакция разложения галогенидов серебра под действием света:
Ag (Галл) + h = Ag + (Галл), где h — квант света.
В современном фотографическом процессе для получения негативов используется слой фотографической эмульсии — смеси мельчайших
кристалликов йодистого или бромистого серебра с желатиной (белковым веществом, "животным клеем"), — нанесённый на прозрачную подложку из
стекла или полимерной плёнки. Под действием света в этой эмульсии образуется лишь ничтожное количество металлического серебра. При
последующем проявлении, т. е. при обработке фоточувствительного материала водным раствором органического восстановителя, реакция
восстановления ускоряется под действием первичных частиц металлического серебра, она идёт преимущественно в тех местах, куда падал свет.
Затем с помощью тиосульфта натрия (Na2S2O3*5H2O), образующего водорастворимую комплексную соль с галогенидом серебра, с фотографии
удаляют невосстановленный избыток галогенида. Эта стадия называется закреплением или фиксацией изображения. Промывка, сушка — и негатив
готов.
Заключение
Химический элемент йод, открытый в 1811 г. Бернаром Куртуа, в наше время нашёл широкое применение в промышленности, технике и
фотоделе. И, самое главное, — в медицине — и не только как антисептическое средство, а как микроэлемент, который очень важен для
поддержания здоровья щитовидной железы. Изучение свойств йода уже привело к появлению биологически активных добавок, которые содержат
микроэлемент йод. И я надеюсь, что дальнейшее изучение йода приведёт к открытию новых возможностей применения этого элемента. Думается,
что весь изложенный мною материал поможет не только мне, но и всем остальным людям, избежать этой болезни и узнать, что же в
действительности представляет йод и для чего он нужен.
|