ヨウ素：歴史、特性、構造、入手、リスク、用途 - 化学

ヨウ素は反応性非ある - 周期表の17族に属する金属元素（ハロゲン）とそれが本質的に非常に広くホルモンチロシンまでヨウ素水から既知の要素である化学記号Iで表されます。。

固体状態のヨウ素は濃い灰色で金属光沢があり（下の画像）、昇華して紫色の蒸気を生成し、冷たい表面で凝縮すると暗い残留物が残ります。これらの特性を実証するための実験は、数多くの魅力的なものでした。

堅牢なヨウ素結晶。出典：BunGee

この元素は1811年にバーナードクルトワによって初めて分離され、硝酸塩の製造の原料となる化合物が得られました。しかし、クルトワはヨウ素を元素として特定しませんでした。ジョセフゲイ=ルサックとハンフリーデービーが共有するメリットです。Gay-Lussacはこの要素を「iode」として識別しました。これは、紫の色が指定されたギリシャ語の「ioides」に由来する用語です。

元素ヨウ素は、他のハロゲンと同様に、共有結合で結合された2つのヨウ素原子で構成される2原子分子です。ヨウ素分子間のファンデルワールス相互作用は、ハロゲンの中で最強です。これが、ヨウ素が最高の融点と沸点を持つハロゲンである理由を説明しています。さらに、ハロゲンの中で最も反応性が低く、電気陰性度が最も低いものです。

ヨウ素は身体の成長に必要であるため、摂取する必要がある必須の要素です。脳と精神発達; 代謝全般などで、1日110 µgの摂取をお勧めします。

人の胎児状態のヨウ素欠乏は、体の成長を遅らせることを特徴とする状態であるクレチニズムの出現に関連しています。だけでなく、不十分な精神的および知的発達、斜視など

一方、個人のあらゆる年齢でのヨウ素欠乏は甲状腺の肥大を特徴とする甲状腺腫の出現と関連しています。甲状腺腫は、独自の栄養特性を持つ特定の地域に限られているため、風土病です。

歴史

発見

ヨウ素は1811年にフランスの化学者バーナードクルトワによって発見されました。硝酸塩の生産で父親と協力していたため、炭酸ナトリウムが必要でした。

この化合物は、ノルマンディーとブルターニュの沖合で収集された海藻から分離されました。この目的のために、藻を燃やし、灰を水で洗浄し、硫酸を加えることにより、得られた残留物を破壊しました。

おそらく偶然の間違いによって、Curtoisは過剰の硫酸を追加し、紫色の蒸気が形成され、冷たい表面で結晶化し、暗い結晶として沈降しました。Curtoisは、彼が新しい要素の存在下にあると疑い、それを "Substance X"と呼びました。

Curtoisは、この物質をアンモニアと混合すると褐色の固体（三ヨウ化窒素）を形成し、最小限の接触で爆発することを発見しました。

しかし、クルトワは研究の継続に限界があり、協力を得るために、チャールズデゾルム、ニコラクレメント、ジョセフゲイルサック、アンドレマリーアンペールに自分の物質のサンプルを渡すことにしました。

名前の出現

1813年11月、DesormesとClémentはCurtoisの発見を公開しました。その同じ年の12月に、ゲイルサックは新しい物質が新しい要素である可能性があることを指摘し、バイオレットに指定されたギリシャ語の "ioides"からの "iode"という名前を示唆しました。

クルトワからアンペールに渡されたサンプルの一部を受け取ったハンフリーデービー卿は、サンプルについて実験を行い、塩素との類似性を指摘しました。1813年12月、ロンドン王立協会は新しい要素の特定に関与しました。

Gay-LussacとDavyの間でヨウ素の同定について議論が生じましたが、両者は最初にそれを分離したのはCurtoisであることを認めました。1839年に、ヨットの分離が認められたことで、クルトワはついに王立科学アカデミーからモンティン賞を受賞しました。

歴史的用途

1839年、ルイダゲールはヨウ素に最初の商業的用途を与え、金属の薄板上にダゲレオタイプと呼ばれる写真画像を作成する方法を発明しました。

1905年、北アメリカの病理学者デイビッドマリンは、特定の病気のヨウ素欠乏症を調査し、その摂取を勧めました。

物理的及び化学的性質

外観

ヨウ素結晶の昇華。出典：Ershova Elizaveta

メタリックな光沢のある濃い灰色。昇華すると、その蒸気は紫色になります（上の画像）。

標準原子量

126.904 u

原子番号（Z）

融点

113.7ºC

沸点

184.3ºC

密度

周囲温度：4.933 g / cm ³

溶解度

水に溶解して、20℃で濃度0.03％の茶色の溶液を生成します。

以前に沃化物イオンが溶解している場合、平衡は、Iとの間に確立されているので、この溶解度は著しく増大し、^-およびI _2は Iアニオン種を形成するために₃^-ヨウ素よりも、その溶媒和物、より良いです。

クロロホルム、四塩化炭素、二硫化炭素などの有機溶媒では、ヨウ素が溶解して紫色の色合いになります。また、ピリジン、キノリン、アンモニアなどの窒素化合物に溶解して、再び茶色がかった溶液を形成します。

着色の違いは、ヨウ素が溶媒和したI ₂分子として、または電荷移動錯体として溶解しているという事実にあります。後者は、電子をヨウ素に供与することによりルイス塩基のように振る舞う極性溶媒（その中の水）を扱うときに発生します。

におい

刺激性、刺激性および特徴。臭気閾値：90 mg / m ³、刺激性臭気閾値：20 mg / m ³。

オクタノール/水分配係数

ログP = 2.49

分解

加熱して分解すると、ヨウ化水素とさまざまなヨウ化物化合物の煙が放出されます。

粘度

2.27 cP（116℃）

三重点

386.65 Kおよび121 kPa

クリティカルポイント

819 Kおよび11.7 MPa

融合熱

15.52 kJ / mol

気化熱

41.57 kJ / mol

モルカロリー容量

54.44 J /（mol K）

蒸気圧

ヨウ素は適度な蒸気圧を持ち、容器を開くとゆっくりと紫色の蒸気に昇華し、目、鼻、喉を刺激します。

酸化数

ヨウ素の酸化数は：- 1（I ^-）、+1（I ⁺）+3（I ³⁺）+4（I ⁴⁺）+5（I ⁵⁺）+6（ I ⁶⁺）および+7（I ⁷⁺）。その中で我々はアニオンIを持っているので、このようなKIなど、すべてのヨウ化物塩、では、ヨウ素は、-1の酸化数を持っています^-。

ヨウ素は、それよりも電気陰性度の高い元素と組み合わせると、正の酸化数を獲得します。たとえば、その酸化物（I ₂ O ₅およびI ₄ O ₉）またはインターハロゲン化化合物（IF、I-ClおよびI-Br）。

電気陰性

ポーリングスケールで2.66

イオン化エネルギー

最初：1,008.4 kJ / mol

第二：1,845 kJ / mol

第三：3,180 KJ / mol

熱伝導率

0.449 W /（m K）

電気抵抗率

1.39×10 ⁷ Ω・0ºCでM

磁気秩序

反磁性

反応性

ヨウ素はほとんどの金属と結合してヨウ化物を形成し、リンやその他のハロゲンなどの非金属元素とも結合します。ヨウ化物イオンは強力な還元剤で、自発的に電子を放出します。ヨウ化物の酸化は、茶色がかった色のヨウ素を生成します。

ヨウ素は、ヨウ化物とは対照的に、弱い酸化剤です。臭素、塩素、フッ素よりも弱い。

酸化数+1のヨウ素は、酸化数-1の他のハロゲンと結合して、ヨウ素のハロゲン化物を生成できます。例：臭化ヨウ素、IBr。同様に、水素と結合してヨウ化水素を生成します。ヨウ化水素は、水に溶解した後、ヨウ化水素酸と呼ばれます。

ヨウ化水素酸は、金属またはその酸化物、水酸化物、炭酸塩との反応によってヨウ化物を形成できる非常に強い酸です。ヨウ素は、ヨウ素酸（HIO ₃）で+5の酸化状態にあり、脱水されて五酸化ヨウ素（I ₂ O ₅）を生成します。

構造と電子構成

-ヨウ素原子とその結合

二原子ヨウ素分子。出典：Wikipedia経由のBenjah-bmm27。

基底状態のヨウ素は、7つの価電子を持つ原子で構成されています。その1つだけがオクテットを完了し、希ガスキセノンと等電子になることができます。これらの7つの電子は、電子構成に従って5sおよび5p軌道に配置されます。

4d ¹⁰ 5s ² 5p ⁵

したがって、I原子は共有結合する強い傾向を示すため、各原子はそれぞれ最外殻に8つの電子を持ちます。したがって、2つのI原子が結合して結合IIを形成し、これが二原子分子I ₂を定義します（上の画像）。通常の条件下での3つの物理的状態におけるヨウ素の分子単位。

この画像は、空間充填モデルによって表されるI ₂分子を示しています。それは二原子分子であるだけでなく、同核および無極性でもあります。したがって、それらの分子間相互作用（I ₂ -I ₂）はロンドンの分散力によって支配され、分子の質量と原子のサイズに正比例します。

ただし、このII結合は他のハロゲン（FF、Cl-ClおよびBr-Br）に比べて弱いです。これは理論的には、それらのsp ³ハイブリッド軌道のオーバーラップが不十分なためです。

-クリスタル

I ₂の分子量は、その分散力が方向性を持ち、周囲圧力で斜方晶を確立するのに十分強いことを可能にします。その高い電子含有量により、光は無限のエネルギー遷移を促進し、ヨウ素結晶が黒く染まります。

しかし、ヨウ素が昇華すると、その蒸気は紫色の色を示します。これは、I ₂分子軌道内のより特定の遷移（より高いエネルギーまたは反結合の遷移）をすでに示しています。

ヨウ素結晶の基底中心の斜方晶系単位格子。出典：Benjah-bmm27。

上の図は、斜方晶系の単位胞内に配置された、球と棒のパターンで表されるI ₂分子です。

2つの層があることがわかります。下の層には5つの分子があり、中央の層には4つの分子があります。ヨウ素分子が細胞の底にあることにも注意してください。Glassは、これらのレイヤーを3次元すべてに定期的に分散させることによって構築されます。

II結合に平行な方向に進むと、ヨウ素軌道が重なり合って伝導帯が生成され、この元素が半導体になります。ただし、層に垂直な方向をたどると、電気を伝導する能力が失われます。

リンク距離

リンクIIは拡大しているようです。そして実際には、その結合の長さが266 pm（気体状態）から272 pm（固体状態）に増加するためです。

これは、I ₂分子が気体中で非常に離れており、分子間力がほとんど無視できるためです。固体中、これらの力（II-II）は有形になり、2つの隣接分子のヨウ素原子を互いに引き寄せ、その結果、分子間距離（または原子間、別の方法で見られる）を短くします。

次に、ヨウ素結晶が昇華すると、隣接分子が周囲に同じ引力（分散）力を及ぼすことがなくなるため、II結合が気相で収縮します。また、論理的には、距離I ₂ -I ₂が増加します。

-フェーズ

II結合は他のハロゲンと比較して弱いことが以前に述べられました。温度が575°Cの気相では、I ₂分子の1％が個々のI原子に分解します。非常に多くの熱エネルギーがあるため、2つだけ再結合して、それらを分離します。

同様に、この結合の切断は、ヨウ素結晶に大きな圧力が加えられた場合に発生する可能性があります。圧縮しすぎると（大気圧よりも数十万倍も大きい圧力下で）、I ₂分子は単原子相Iとして再配列し、ヨウ素は金属的特性を示すと言われています。

ただし、体心斜方晶（フェーズII）、体心正方晶（フェーズIII）、面心立方晶（フェーズIV）など、他の結晶相もあります。

見つけて入手する場所

ヨウ素は、地球の地殻に対する重量比が0.46 ppmであり、その量は61位です。ヨウ化物鉱物は少なく、商業的に利用可能なヨウ素鉱床はヨウ素酸塩です。

ヨウ素ミネラルは、0.02 mg / kg〜1.2 mg / kgの濃度の火成岩、および0.02 mg〜1.9 mg / kgの濃度のマグマ岩に含まれています。それはまたキメリッジ頁岩にも見られ、濃度は17 mg / kg体重です。

また、ヨウ素ミネラルはリン酸塩岩に含まれ、濃度は0.8〜130 mg / kgです。海水のヨウ素濃度は0.1〜18 µg / Lです。海藻、海綿、カキは、以前はヨウ素の主な供給源でした。

しかし、現在の主な発生源は、カリッシュ、アタカマ砂漠（チリ）の硝酸ナトリウム鉱床、ブラインで、主に東京の東にある南関東の日本のガス田とAnadarkoガス田からのものです。オクラホマ（米国）の盆地。

カリッシュ

ヨウ素はカリッシュからヨウ素酸塩の形で抽出され、亜硫酸水素ナトリウムで処理されてヨウ化物に還元されます。次に、この溶液を、抽出直後のヨウ素酸塩と反応させて、ろ過を容易にします。カリッシュは19世紀から20世紀初頭のヨウ素の主な供給源でした。

塩水

精製後、塩水はヨウ化物を生成する硫酸で処理されます。

このヨウ化物溶液は、続いて塩素と反応して、ヨウ素の希薄溶液を生成します。これは、二酸化硫黄の吸収塔に送られる空気の流れによって蒸発し、次の反応を生成します。

I ₂ + 2 H ₂ O + SO ₂ => 2 HI + H ₂ SO ₄

続いて、ヨウ化水素ガスは塩素と反応して、ガス状のヨウ素を解放します。

2 HI + Cl ₂ => I ₂ + 2 HCl

そして最後に、ヨウ素はろ過され、精製され、使用のために包装されます。

生物学的役割

-推奨ダイエット

ヨウ素は、特に人間で知られている生物の多くの機能に介入するため、必須の要素です。ヨウ素が人間に入る唯一の方法は、彼が食べる食物を通してです。

推奨されるヨウ素食は年齢によって異なります。したがって、生後6か月の子供には1日あたり110 µgの摂取が必要です。しかし、14歳から、推奨される食事は150 µg /日です。さらに、ヨウ素の摂取量は1,100 µg /日を超えてはならないとされています。

-甲状腺ホルモン

甲状腺刺激ホルモン（TSH）は下垂体から分泌され、甲状腺濾胞によるヨウ素の取り込みを刺激します。ヨウ素はコロイドとして知られている甲状腺濾胞に運ばれ、そこでアミノ酸チロシンに結合してモノヨードチロシンとジヨードチロシンを形成します。

濾胞コロイドでは、モノヨードチロニンの分子がジヨードチロニンの分子と結合して、トリヨードチロニン（T ₃）と呼ばれる分子を形成します。一方、ジヨードチロシンの2つの分子は結合して、テトラヨードチロニン（T ₄）を形成します。T ₃とT ₄は甲状腺ホルモンと呼ばれます。

ホルモンT ₃およびT ₄は血漿中に分泌され、そこで血漿タンパク質に結合します。甲状腺ホルモン輸送タンパク質（TBG）を含みます。甲状腺ホルモンのほとんどは、T ₄として血漿中に輸送されます。

ただし、甲状腺ホルモンの活性型はT ₃であるため、甲状腺ホルモンの「白い器官」のT ₄は脱ヨウ素化され、T ₃に変換されてホルモン作用を発揮します。

エフェクト編集

甲状腺ホルモンの作用の影響は複数あり、次のことが可能です。代謝とタンパク質合成の増加。体の成長と脳の発達の促進; 血圧や心拍数の増加など

-欠乏

ヨウ素の欠乏、したがって甲状腺ホルモンの欠乏は、甲状腺機能低下症として知られ、人の年齢に影響される多くの結果をもたらします。

人の胎児の状態中にヨウ素欠乏症が発生した場合、最も関連する結果はクレチン症です。この状態は、精神機能障害、身体発達の遅延、斜視、性成熟の遅延などの兆候が特徴です。

ヨウ素欠乏症は、欠乏症が発生した年齢に関係なく甲状腺腫を誘発する可能性があります。甲状腺腫は甲状腺の過剰発達であり、ヨウ素欠乏の結果として下垂体から放出されるホルモンTSHによる腺の過剰刺激によって引き起こされます。

甲状腺（甲状腺腫）のサイズが大きすぎると、気管が圧迫され、気管を通過できなくなります。さらに、喉頭神経の損傷を引き起こし、しわがれを引き起こす可能性があります。

リスク

ヨウ素の過剰摂取による中毒は、口、喉、発熱に火傷を引き起こす可能性があります。また、腹痛、吐き気、嘔吐、下痢、弱い脈、昏睡。

ヨウ素が過剰になると、欠乏症で観察される症状のいくつかが生じます。甲状腺ホルモンの合成が阻害されるため、TSHの放出が増加し、甲状腺の肥大が起こります。つまり、甲状腺腫です。

ヨウ素の過剰摂取は甲状腺炎および甲状腺乳頭がんを引き起こす可能性があることが研究により示されています。さらに、ヨウ素の過剰摂取は薬物と相互作用し、その作用を制限する可能性があります。

甲状腺機能亢進症の治療に使用されるメチマゾールなどの抗甲状腺薬と併用してヨウ素を過剰に摂取すると、相加効果をもたらし、甲状腺機能低下症を引き起こす可能性があります。

ベナゼプリルなどのアンジオテンシン変換酵素（ACE）阻害剤は、高血圧の治療に使用されます。ヨウ化カリウムを過剰に摂取すると、高カリウム血症や高血圧のリスクが高まります。

用途

医師

ヨウ素は皮膚や傷の消毒剤として機能します。ほぼ瞬時に抗菌作用があり、微生物の内部に浸透し、硫黄のアミノ酸、ヌクレオチド、脂肪酸と相互作用して、細胞死を引き起こします。

それは主にカバーされたウイルスに抗ウイルス作用を発揮し、カバーされたウイルスの表面にあるタンパク質を攻撃すると仮定します。

甲状腺中毒症の治療には、濃縮溶液の形のヨウ化カリウムが使用されます。また、甲状腺への放射性同位元素の結合をブロックすることにより、¹³¹ I 放射線の影響を制御するために使用されます。

ヨウ素は樹状角膜炎の治療に使用されます。これを行うには、角膜をヨウ素で飽和した水蒸気に曝し、一時的に角膜の上皮を失います。しかし、2〜3日で完全に回復します。

またヨウ素は、人間の乳房の嚢胞性線維症の治療に有益な効果があります。同様に、¹³¹ Iは甲状腺がんの任意の治療法となり得ることが示唆されています。

反応と触媒作用

ヨウ素はデンプンの存在を検出するために使用され、青みがかります。ヨウ素とデンプンの反応は、デンプンを含む紙に印刷された偽造紙幣の存在を検出するためにも使用されます。

アンモニアの検出には、ネスラー試薬としても知られているカリウム（II）テトラヨードドキュレートが使用されます。また、ヨードホルム試験では、アルカリ性ヨウ素溶液を使用して、メチルケトンの存在を示します。

無機ヨウ化物は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、トリウムなどの金属の精製に使用されます。プロセスの1つの段階で、これらの金属の四ヨウ化物を形成する必要があります。

ヨウ素はロジン、オイル、およびその他の木製品の安定剤として機能します。

ヨウ素は、メチル化、異性化、脱水素の有機合成反応の触媒として使用されます。一方、ヨウ化水素酸は、モンサントとカティバのプロセスで酢酸を製造するための触媒として使用されます。

ヨウ素は、芳香族アミンの縮合とアルキル化、および硫酸化と硫酸化のプロセス、および合成ゴムの製造において触媒として機能します。

写真と光学

ヨウ化銀は、従来の写真フィルムの必須コンポーネントです。ヨウ素は、単結晶プリズム、偏光光学機器、赤外線を透過するガラスなどの電子機器の製造に使用されます。

その他の用途

ヨウ素は農薬、アニリン染料、フタレインの製造に使用されます。また、染料の合成にも使用されており、消火剤です。そして最後に、ヨウ化銀は、雨を発生させるために、雲の中の水蒸気の凝縮核として機能します。

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