碘

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碘 53I
氫（非金屬） 氦（貴氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（貴氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（貴氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（貴氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鍀（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（貴氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鑥（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砹（類金屬） 氡（貴氣體）
鈁（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 鎿（錒系元素） 鈈（錒系元素） 鎇（錒系元素） 鋦（錒系元素） 錇（錒系元素） 鐦（錒系元素） 鎄（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為貴氣體）
溴
↑
碘
↓
砹
碲 ← 碘 → 氙
外觀
帶金屬光澤的紫灰色，蒸汽為紫色
概況
名稱·符號·序數碘（Iodine）·I·53
元素類別鹵素
族·週期·區17·5·p
標準原子質量126.90447(3)[1]
電子排布[氪] 4d10 5s2 5p5
2, 8, 18, 18, 7
碘的電子層（2, 8, 18, 18, 7）
碘的電子層（2, 8, 18, 18, 7）
歷史
發現貝爾納·庫爾圖瓦（1811年）
分離貝爾納·庫爾圖瓦（1811年）
物理性質
物態固態
密度（接近室溫）
4.933 g·cm−3
熔點386.85 K，113.7 °C，236.66 °F
沸點457.4 K，184.3 °C，363.7 °F
三相點386.65 K（113 °C），12.1 kPa
臨界點819 K，11.7 MPa
熔化熱（I2）15.52 kJ·mol−1
汽化熱（I2）41.57 kJ·mol−1
比熱容（I2）54.44 J·mol−1·K−1
蒸氣壓（正交）
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 260 282 309 342 381 457
原子性質
氧化態-1、+1、+2[2]、+3、+4[3]、+5、+6[4]、+7
（強酸性氧化物）
電負性2.66（鮑林標度）
電離能第一：1008.4 kJ·mol−1

第二：1845.9 kJ·mol−1

第三：3180 kJ·mol−1
原子半徑140 pm
共價半徑139±3 pm
范德華半徑198 pm
碘的原子譜線
雜項
晶體結構正交
磁序抗磁性[5]
磁化率−88.7×10−6 （298 K）[6] cm3/mol
電阻率（0 °C）1.3×107 Ω·m
熱導率0.449 W·m−1·K−1
體積模量7.7 GPa
CAS編號7553-56-2
同位素
主條目：碘的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
123I 人造 13.2232 小時 ε 1.228 123Te
124I 人造 4.1760 天 β+ 2.138 124Te
125I 人造 59.40 天 ε 0.184 125Te
127I 100% 穩定，帶74粒中子
129I 痕量 1.614×107 年 β− 0.187 129Xe
131I 人造 8.0249 天 β− 0.971 131Xe
135I 人造 6.58 小時 β− 2.634 135Xe

碘（din2）（英語：Iodine；源於希臘語：ἰώδης，羅馬化：Iódis，直譯：「深紫羅蘭色」）是一種化學元素，其化學符號為I，原子序數為53。碘是最重的穩定鹵素，在標準狀況下為有光澤的紫黑色固態非金屬，在114 °C（237 °F）時融化成深紫色液體，在184 °C（363 °F）時氣化成紫色氣體。碘元素在1811年由法國化學家貝爾納·庫爾圖瓦發現，兩年後約瑟夫·路易·蓋-呂薩克因碘蒸汽的顏色而以希臘語 ἰώδης （深紫羅蘭色）命名碘為「iodine」。

碘有許多氧化態，包括碘化物（I-）的-1、碘酸鹽（IO3-）的+5和高碘酸鹽的+7。碘是豐度最低的非人造鹵素，在地殼中豐度排名第61。碘亦是人體必需的元素中原子序最大的，是合成甲狀腺素的必要成分[7]。碘缺乏症是造成智能障礙的主因，影響了將近二十億人，但可預防。[8]

現今生產碘的主要國家是智利與日本。因為其高原子量且容易形成有機化合物，所以可用作無毒的造影劑。人體吸收碘的專一性也使其放射性同位素用於治療甲狀腺癌。此外，在工業上製造醋酸與一些聚合物時，也會使用碘作為催化劑。碘是世界衛生組織基本藥物。[9]

歷史[編輯]

碘是由法國化學家貝爾納·庫爾圖瓦於1811年發現的。[10][11]當時正值拿破崙戰爭，因此法國的硝石（火藥的必須成分）需求量很高。開採硝石需要碳酸鈉，而後者可以從海藻中提取。提取這些碳酸鈉需要先燒掉海藻，再用水洗灰燼，剩餘的廢物可用硫酸銷毀。庫爾圖瓦有一次在銷毀過程中加了太多硫酸，結果產生一團紫色氣體。他注意到這些氣體會在冷的地方結晶，產生深色晶體。[12]庫爾圖瓦懷疑這種物質是新元素，但因缺少經費而沒有進一步研究這種物質。[13]

於是，庫爾圖瓦把這種物質給了他的朋友查爾斯·伯納德·德索姆（英語：Charles Bernard Desormes）和尼古拉斯·克萊門特（英語：Nicolas Clément），讓他們研究它。他也把這種物質給了約瑟夫·路易·給呂薩克和安德烈-馬里·安培。1813年11月29日，德索姆和克萊門特公開了庫爾圖瓦的發現，並在法蘭西學會的會議中描述了這種物質。[14]12月6日，給呂薩克宣佈這種物質是一種元素或是一種氧化物。[15][16][17]他提議把這種物質以碘蒸汽的顏色命名為iode（源自古希臘語 ἰοειδής，意為紫色）。[10][15]安培把他的樣本給了漢弗里·戴維，而戴維注意到了這種物質和氯相似。[18]戴維在12月10日寫信給皇家學會，稱他確認了一種新元素。[19]戴維和給呂薩克就誰最先發現碘是一種元素的問題爆發了爭論，但兩位科學家都承認庫爾圖瓦是第一個分離碘的人。[13]

1873年，法國醫學研究員卡西米·達萬尼（英語：Casimir Davaine）發現碘可以殺菌。[20]1908年，伊斯特拉外科醫生安東尼奧·格羅西奇（英語：Antonio Grossich）在外科手術中使用碘酊來快速消毒人體皮膚。[21]

在早期元素週期表中，碘的元素符號是源自德文Jod的J。[22]這種元素的中文名稱取自英文名稱的最後一個音節（dine→典），加上代表固體非金屬元素的「石」字部首，命名為「碘」。[23]

性質[編輯]

主條目：碘化物和雙原子碘
碘可以升華成為紫色的氣體

碘是第四個鹵素，也是在有穩定同位素的鹵素中最重的。（接下來的鹵素砹和鿬因為它們極強的放射性並沒有完整研究，但因為相對論效應而呈現出各種不尋常的性質。）碘的電子排布為[Kr]4d105s25p5，最外層有七個價電子。和其它鹵素一樣，碘只差一個電子就能達到八隅體結構，因此是會和許多元素反應來達到穩定八隅體結構的氧化劑。根據元素週期律，碘是穩定鹵素中氧化性最弱的，其電負性也是最低的，僅2.66。（作為比較，氟、氯和溴的電負性分別為3.98、3.16和2.96，而砹則繼續這個趨勢，電負性來到了更低的2.2。）碘單質以雙原子分子 I2存在，這兩個碘原子共用一對電子來達到穩定的八隅體結構。在高溫下，這些雙原子分子會可逆分解成一對碘原子。碘離子 I−是穩定鹵素中還原性最強的，容易氧化成I2。[24]（砹則繼續這個趨勢，其陰離子At−不穩定，很容易氧化成At0或At+。）[25]

碘微溶於水，在20℃時，碘在水中的溶解度為0.03g/100g。[26]在水中加入碘化鉀會因為產生三碘陰離子和其它多碘離子而增加碘的溶解度。[27]像是己烷和四氯化碳的非極性溶劑則可以溶解更多的碘。[28]碘的極性溶液（例如水溶液）是棕色的，顯示溶劑充當了路易斯鹼，生成電荷轉移配合物；而非極性溶液則呈現紫色，也就是碘原本的顏色。[27][29]

溶於CH2Cl2的電荷轉移配合物I2•PPh3。從左到右：
(1) I2溶於二氯甲烷並不產生電荷轉移配合物。
(2) 在加入過量PPh3幾秒後逐漸產生電荷轉移配合物。
(3) 在加入過量PPh3一分鐘後產生電荷轉移配合物[Ph3PI]+I−。
(4) 在加入過量I2後產生的電荷轉移配合物是[Ph3PI]+[I3]−。[30]

碘的熔點和沸點是穩定鹵素當中最高的，符合元素週期律。碘是鹵素中揮發性最低的，但固態碘仍會產生紫色蒸汽。[24]由於這個性質，碘可用於示範從固體直接變為氣體的升華過程，但這也使人誤解碘在標準大氣壓下沒有液態。[31]由於碘在穩定鹵素當中有最大的原子半徑，它的電離能、電子親和能、電負性和反應性也都是穩定鹵素中最低。[24]

碘的晶體結構

I2中的鍵是所有鹵素中最弱的。在575 °C下的氣態碘就有1%離解成碘原子，而其它鹵素要達到這種離解程度需要750 °C以上的溫度。大多數含碘的鍵比較輕鹵素的鍵弱。[24]氣態碘由I2分子組成，其I–I鍵長為266.6 pm，是最長的單鍵之一。在碘正交晶系的晶體中，其I–I鍵長會變長，達到271.5 pm。[32]這使得在碘分子中有顯著的電子相互作用，而這些相互作用使碘是半導體，且有閃亮的外觀。[24]碘是二維半導體，能隙為1.3 eV（125 kJ/mol）。[24]

同位素[編輯]

主條目：碘的同位素

碘有37種同位素，其中只有碘-127穩定、存在於自然界。其它同位素都具有放射性，且半衰期都短到不能成為原生核種（英語：primordial nuclide）。因此，碘屬於單一同位素元素。[24]

最穩定的放射性碘同位素是碘-129，半衰期長達1614萬年，會β衰變成穩定的氙-129。[33]在太陽系形成之前就存在和碘-127一同產生的碘-129，但到了今天已全部衰變，成為絕種同位素（英語：extinct radionuclide）。碘-129可以為早期太陽系或非常古老的地下水測年，其存在可以通過樣本過量的衰變產物氙-129確定。[34][35][36][37][38]自然界中仍有痕量的碘-129，它們是由大氣中氙的宇宙射線散裂而成的，佔了天然碘的10−14至10−10。碘-129也可以通過核試驗產生。不過，在核試驗最多的1960和1970年代，碘-129仍只佔了天然碘的10−7。[39]碘-127和碘-129的激發態可用於穆斯堡爾譜學。[24]

其它碘同位素的半衰期則更短，都不超過幾天，[33]其中一些可用於醫療。碘-123的半衰期為13小時，會電子捕獲成碲-123並放出γ射線，可用於單光子發射計算機斷層掃描（英語：single photon emission computed tomography）（SPECT）和CT掃描。[40]碘-125是半衰期第二長的放射性碘同位素，半衰期為59天，會電子捕獲成碲-125，並放出低能量γ射線。它可用於化驗（英語：biological assay）、核醫學和近距離治療，可以治療前列腺癌、葡萄膜黑色素瘤（英語：uveal melanoma）和腦瘤。[41]半衰期8天的碘-131則會β衰變成穩定的氙-131的激發態，後者會釋放γ射線來回到基態。碘-131是常見的裂變產物，因此會在放射性落下灰中大量存在。人體可能會通過受污染的食物吸收它，積聚在甲狀腺中。它的衰變可能會損害甲狀腺，造成甲狀腺癌和甲狀腺炎。[42]

防止碘-131影響人體的常用方法是每天服用含穩定的碘-127的碘化鉀片來使甲狀腺飽和。[43]不過當需要破壞組織時，碘-131也可用於放射療法。[44]碘-131可用作放射性示蹤劑。[45][46][47][48]

化學性質和化合物[編輯]

鹵素鍵鍵能（kJ/mol）[27]
X XX HX BX3 AlX3 CX4
F 159 574 645 582 456
Cl 243 428 444 427 327
Br 193 363 368 360 272
I 151 294 272 285 239

碘很活潑，但比其它鹵素不活潑。舉個例子，氯氣可以把一氧化碳、一氧化氮和二氧化硫分別氯化成光氣、亞硝酰氯和硫酰氯，但碘不能。此外，金屬的碘化物可以達到的價態往往比對應的氯化物和溴化物低。舉個例子，錸的最高價氯化物是六氯化錸，而最高價溴化物是五溴化錸，但錸的最高價碘化物只是四碘化錸。[24]出於同樣的原因，碘在鹵素中最低的電離能代表它最容易給氧化，因此陽離子化學也較多。它的高氧化態也比溴和氯穩定，其中一個例子就是七氟化碘。[27]

電荷轉移配合物[編輯]

碘分子 I2可溶於CCl4和碳氫化合物中，產生亮紫色的溶液。這些溶液的吸收帶高峰在520 – 540 nm的區間，是π*至σ*躍遷產生的。I2和路易斯鹼反應會使這個吸收帶高峰藍移到230 – 330 nm，這是因反應產生的加合物（也就是電荷轉移配合物）導致的。[49]

碘化氫[編輯]

主條目：碘化氫和氫碘酸

碘最簡單的化合物是碘化氫 HI。它是無色氣體，會給氧氣氧化成水和碘。和其它鹵化氫不同，雖然碘化氫在實驗室里可用於碘化反應，但它沒有大規模工業用途。碘化氫在商業上是由碘和硫化氫或聯氨反應而成的：[50][51]

8 I2 + 8 H2S → 16 HI + S8
2 I2 + N2H4 H2O⟶ 4 HI + N2

在室溫下，碘化氫是無色氣體，熔點−51.0 °C，沸點−35.1 °C。它是吸熱化合物，其分解反應放熱，但除非有催化劑，否則反應非常緩慢。這也使得氫氣和碘在室溫下不會完全反應。碘化氫中H–I鍵的鍵解離能是所有鹵化氫中最小的，只有295 kJ/mol。[52]

碘化氫的水溶液氫碘酸是一種強酸。碘化氫極易溶於水，一升水就可以溶解425升的碘化氫，而其飽和溶液中水分子和碘化氫分子的比例達到了4:1。[53]市面上的濃氫碘酸的含48–57% HI。濃度為56.7%的氫碘酸是共沸物，沸點為126.7 °C，因此到達這個濃度的氫碘酸無法通過蒸餾繼續濃縮。[52]

和氟化氫不同，無水碘化氫因為沸點低且液態範圍小，因此是極差的溶劑。碘化氫的相對介電常數低，且不會明顯離解成H2I+和HI−
2離子。由於氫和碘之間的氫鍵很弱，HI−
2比HF−
2不穩定許多，但它的Cs+和NR+
4（R = Me、Et、Bun）鹽仍可給分離。無水碘化氫只能溶解像亞硝酰氯和苯酚這樣的小分子，或是像四級銨鹽這樣晶格能很低的離子化合物。[52]

其它碘化物[編輯]

主條目：碘化物

大部分元素都可以形成碘化物。不過，由於碘離子較大且碘的氧化性較弱，碘化物很難達到高氧化態。在已知的碘化物中，金屬的最高氧化態是+5，存在於鈮、鉭和鏷的五碘化物中。不會水解的碘化物可以由對應元素或其氧化物、氫氧化物或碳酸鹽和氫碘酸反應而成，然後在碘化氫氣氛下脫水而成。其它製備碘化物的方法包括元素和碘或碘化氫在高溫下的反應，或是在高溫下用碘單質、揮發性的金屬碘化物、四碘化碳或有機碘化合物碘化金屬氧化物或其它鹵化物而成。舉個例子，二氧化鉬和三碘化鋁在230 °C下反應，生成二碘化鉬。一個涉及鹵素交換的反應見下，是五氯化鉭和過量的三碘化鋁在400 °C下生成五碘化鉭的反應：[54]

低價碘化物則可以由熱分解或歧化產生，也可以通過高價碘化物給氫氣或金屬還原而成：[54]

金屬的低氧化態（+1，+2）碘化物偏向於離子化合物，而非金屬和氧化態超過+3的金屬碘化物則偏向於共價化合物。+3氧化態的金屬碘化物可能是離子化合物也可能是共價化合物（例如碘化鈧是離子化合物，而三碘化鋁是共價化合物）。離子碘化物MIn在對應的鹵化物MXn中有最低的熔沸點，而共價碘化物在對應的鹵化物中有最高的熔沸點。類似的，離子碘化物（例如碘化鉀和碘化鈣）在水中的溶解度是對應的鹵化物中最高的，而共價碘化物（例如碘化銀）在水中的溶解度則是對應的鹵化物中最低的。碘化銀極難溶於水的性質可用於檢測碘的存在。[54]

鹵化物[編輯]

碘會形成三種一鹵化物、三氟化物、三氯化物、五氟化物以及其它鹵素都沒有的七氟化物。鹵化碘離子也是已知的，如酒紅或橙色的ICl+
2以及深棕或紫黑色的I2Cl+。除此之外，碘也可以和擬鹵素形成化合物，例如碘化氰（ICN）、硫氰酸碘（ISCN）和疊氮化碘（IN3）。[55]

一氯化碘

一氟化碘（IF）在室溫下不穩定，會迅速歧化成碘和五氟化碘，因此不能提純。它可以由在三氯氟甲烷里，碘和−45 °C的氟氣、−78 °C的三氟化碘或是0 °C的氟化銀反應而成。[55]一氯化碘（ICl）和一溴化碘（IBr）較穩定。一氯化碘是揮發性的紅棕色化合物，由約瑟夫·路易·給呂薩克和漢弗里·戴維在1813–1814年獨立發現。一氯化碘和溴單質很相似，這使得尤斯圖斯·馮·李比希誤把他發現的溴當成了一氯化碘。[56]一氯化碘和一溴化碘可由碘直接和對應鹵素反應而成，然後通過分級結晶（英語：fractional crystallization (chemistry)）提純。它們都很活潑，甚至可以腐蝕鉑和金，但不能腐蝕硼、碳、鎘、鉛、鋯、鈮、鉬和鎢。它們和有機化合物的反應取決於條件。一氯化碘蒸汽與苯酚和水楊酸的反應是氯化反應。這是因為一氯化碘均裂時會產生氯和碘，而氯更活潑。不過，在一氯化碘的四氯化碳溶液和苯酚的反應中，碘化反應會成為主反應。這是因為在溶液中，I–Cl鍵傾向於異裂，產生的I+離子會作為親電試劑和苯酚反應。由於一溴化碘傾向於均裂成元素，而溴又比碘活潑，因此一溴化碘的四氯化碳溶液仍會溴化苯酚。[55]液態一氯化碘和一溴化碘會離解成I
2X+
和IX−
2（X = Cl、Br）離子，顯著增加它們的導電能力。[55]

三氟化碘（IF3）是不穩定的黃色固體，−28 °C時就會分解，因此鮮為人知。由於氟氣會直接把碘氟化成五氟化碘，因此製備三氟化碘需要用二氟化氙在三氯氟甲烷下氟化碘。[57]三氯化碘是亮黃色固體，可以由碘和液氯在−80 °C下反應而成，在固態下以平面形二聚體I2Cl6存在。它是強氯化劑。液態三氯化碘可以導電，表明它會離解成ICl+
2和ICl−
4離子。[58]

五氟化碘（IF5）是無色、有揮發性的液體。它是熱力學上最穩定的氟化碘，可以由碘和氟氣在室溫下反應而成。它是氟化劑，但可以儲存在玻璃容器中。液態五氟化碘離解的IF+
4和IF−
6使它可以導電。有着五角雙錐形分子構型的七氟化碘（IF7）可以通過五氟化碘進一步和氟氣反應產生。[59]它是極強的氟化劑，在互鹵化物中僅次於三氟化氯、五氟化氯和五氟化溴。即使在低溫下，七氟化碘仍會和幾乎所有的元素反應，氟化派熱克斯玻璃並產生五氟氧化碘（IOF5），還可以使一氧化碳燃燒。[60]

含氧化合物[編輯]

五氧化二碘的結構

由於碘和氧較大的電負性差距增強了I–O鍵，因此碘的氧化物也是鹵素的氧化物中最穩定、發現時間最早的。[29]白色的五氧化二碘（I2O5）在1813年由給呂薩克和戴維發現，可由碘酸（HIO3）脫水而成。它會迅速把一氧化碳氧化成二氧化碳，因此可用於測量一氧化碳濃度。除此之外，五氧化二碘也會氧化氮氧化物、乙烯和硫化氫。它和三氧化硫和過二硫酰氟（S2O6F2）反應，生成含有碘酰陽離子 [IO2]+的鹽。這種鹽可以給濃硫酸還原成含有[IO]+離子的亞碘酰鹽。五氧化二碘可以給氟氣、三氟化溴、四氟化硫和氯酰氟氟化成五氟化碘，而五氟化碘也可以和五氧化二碘反應，產生三氟氧化碘 IOF3。碘也有其它較不穩定的氧化物，如I4O9和I2O4。它們的結構仍未得以確認，但合理猜測分別是IIII(IVO3)3和[IO]+[IO3]−。[61]

含碘物種的標準電極電勢[62]
E° a(H+) = 1
（酸性）		 E° a(OH−) = 1
（鹼性）
I2/I− +0.535 I2/I− +0.535
HOI/I− +0.987 IO−/I− +0.48
    IO−
3/I−		 +0.26
HOI/I2 +1.439 IO−/I2 +0.42
IO−
3/I2		 +1.195    
IO−
3/HOI		 +1.134 IO−
3/IO−		 +0.15
IO−
4/IO−
3		 +1.653    
H5IO6/IO−
3		 +1.601 H
3IO2−
6/IO−
3		 +0.65

除了氧化物之外，碘也可以形成含氧酸次碘酸（HIO）、亞碘酸（HIO2）、碘酸（HIO3）和高碘酸（HIO4或H5IO6）。碘溶於水時會產生以下反應：[62]

I2 + H2O ⇌ HIO + H+ + I− Kac = 2.0 × 10−13 mol2 l−2
I2 + 2 OH− ⇌ IO− + H2O + I− Kalk = 30 mol2 l−2

次碘酸很不穩定。次碘酸鹽會歧化成碘化物和碘酸鹽：[62]

3 IO− ⇌ 2 I− + IO−
3		 K = 1020

亞碘酸和亞碘酸鹽比次碘酸和次碘酸鹽更不穩定，只是碘化物氧化成碘酸鹽的中間體。[62]碘酸鹽是最重要的碘含氧酸鹽，可由鹼金屬碘化物在600 °C和高壓下與氧氣反應而成，或是用氯酸鹽氧化碘而成。不像會緩慢歧化成氯化物和高氯酸鹽的氯酸鹽，碘酸鹽在酸性和鹼性條件下都不會歧化。碘酸可通過對碘的水溶液電解或加入發煙硝酸而成。碘酸鹽的氧化性比氯酸鹽和溴酸鹽弱，但反應速度比它們快。[63]

高碘酸鹽有很多種，除了四面體形的偏高碘酸根 IO−
4以外，還有四方錐形的IO3−
5、八面體形的正高碘酸根 IO5−
6、[IO3(OH)3]2−、[I2O8(OH2)]4−和I
2O4−
9。它們可由在鹼性環境下用電化學法（需要二氧化鉛陽極）或氯氣氧化碘酸鈉而成：[64]

IO−
3 + 6 OH− → IO5−
6 + 3 H2O + 2 e−
IO−
3 + 6 OH− + Cl2 → IO5−
6 + 2 Cl− + 3 H2O

高碘酸鹽在熱力學上和動力學上都是強氧化劑，會迅速把Mn2+氧化成MnO−
4，也會使二醇、α-二酮、α-羥酮（英語：ketol）、α-氨基醇、α-二胺裂解。[64]正高碘酸 H5IO6在100 °C的真空下脫水會形成偏高碘酸 HIO4。繼續脫水並不會得到七氧化二碘（I2O7），而是五氧化二碘和氧氣。正高碘酸和硫酸反應，可以得到I(OH)+
6陽離子（和Te(OH)6及Sb(OH)−
6是等電子體）的硫酸鹽和硫酸氫鹽。[29]

多碘化合物[編輯]

碘溶於如發煙硫酸的強酸時會生成含有亮藍色、順磁性的I+
2離子的溶液。I+
2的鹽可由由碘和五氟化銻反應而成：[29]

2 I2 + 5 SbF5 SO2⟶20 °C 2 I2Sb2F11 + SbF3

它是深藍色的化合物。類似的鉭化合物I2Ta2F11也存在。I2中的I–I鍵長為267 pm，而I+
2因為其反鍵軌態失去一個電子，增強了I–I鍵的強度，所以其鍵長也縮短成了256 pm。

在−60 °C的氟磺酸里，I+
2會可逆二聚成紅色、長方形、有抗磁性的I2+
4。其它多碘陽離子也存在，如深棕黑色的I+
3和綠黑色的I+
5。[29][65]

在水溶液中最重要的多碘離子是線形的三碘離子 I−
3，碘可溶於加有碘化鉀的水就是因為這種離子。[29]

I2 + I− ⇌ I−
3（20 °C時 Keq = ~700）

結晶含有碘和碘化物的溶液時也可以產生其它多碘陰離子，如I−
5、I−
9、I2−
4和I2−
8。它們和極化性弱的大陽離子（如Cs+）形成的鹽可分離。[29][66]

有機碘化合物[編輯]

主條目：有機碘化合物
氧化劑2-碘酰基苯甲酸的結構

有機碘化合物一直是有機合成發展的基礎，可用於霍夫曼消去反應[67]、威廉姆遜合成反應[68]、武茲反應[69]和合成格氏試劑。[70]

碳–碘鍵在有機化學中較為常見。碘代烴可由醇和三碘化磷反應而成，用於親核取代反應和製備格氏試劑。C–I鍵因碳（2.55）和碘（2.66）的電負性差距不大，是所有碳–鹵素鍵中最弱的。因此，碘離子是所有鹵素離子中最好的離去基團，使得很多有機碘化合物放久了都會因為分解產生的碘而變黃。C–I鍵易於形成和消除的性質可用於有機合成。[71]碘的高原子量也使得有機碘化合物的密度比其它有機化合物高很多。[72]一些有機碘化合物中的碘與多個原子成鍵，例如可以把醇氧化成醛的2-碘酰基苯甲酸[73]和可以氯化烯烴和炔烴的二氯化碘苯（英語：Iodobenzene dichloride）（PhICl2）。[74]

相較於有機氯化合物或有機溴化合物，有機碘化合物有兩個缺點，那就是更貴和更強的毒性。[75]舉個例子，碘乙酰胺和碘乙酸會烷基化蛋白質中半胱氨酸殘基的巰基，防止重新形成二硫鍵。[76]

碘代烷可由芬克爾斯坦反應中的鹵素交換反應產生。此反應可使用極大量的碘化物，或利用鹵化物溶解度的不同而使反應向一邊移動。[77]在芬克爾斯坦反應中，碘代烷可由丙酮中氯代烷或溴代烷和碘化鈉反應而成。碘化鈉可溶於丙酮，但氯化鈉和溴化鈉不溶於丙酮。[78]反應由於不斷生成的鹵化鈉沉澱，向着生成碘代烷的方向移動。[79][80]

含量和生產[編輯]

碘在穩定鹵素當中最稀有，僅佔了地殼的0.46 ppm（作為比較，氟544 ppm、氯126 ppm、溴2.5 ppm）。[81]在83種大量存在的元素（第1–42、44–60、62–83、90和92號元素）中，碘的豐度排名第61。含碘礦物較罕見，且大部分濃度夠高、足夠提供經濟上萃取價值的礦床幾乎都是碘酸鹽礦物，如碘鈣石（Ca(IO3)2）和碘鉻鈣石（7Ca(IO3)2·8CaCrO4）。[81]在智利鈣質層（英語：caliche）（主要成分為硝酸鈉）的雜質中可以找到這些礦物，其中的碘含量在0.02%至1%之間。[82]從鈣質層提取的碘酸鈉會先給亞硫酸氫鈉還原成碘化物，然後再和剛提取出來的碘酸鹽反應生成碘單質，過濾出來。[24]

鈣質層是19世紀時碘的主要來源，至今仍然重要，而從海帶提取碘不再經濟上可行。[83]到了20世紀末，滷水成了可與鈣質層比較的碘來源。日本東京的南關東氣田（英語：Minami Kanto gas field）和美國俄克拉荷馬州的阿納達科盆地（英語：Anadarko Basin）是兩個最大的滷水碘來源。這些滷水首先會純化並用硫酸酸化，並用氯氣把其中的碘化物氧化成碘單質。反應會產生碘溶液，但這個溶液較稀，需要濃縮。這些溶液會通入空氣來使碘蒸發到吸收塔中，然後會用二氧化硫把碘還原成碘化氫。碘化氫之後再和氯氣反應產生碘沉澱，經過濾和純化後便可出廠。[82][84]

2 HI + Cl2 → I2↑ + 2 HCl
I2 + 2 H2O + SO2 → 2 HI + H2SO4
2 HI + Cl2 → I2↓ + 2 HCl

這些來源使得智利和日本可以成為今天碘的最大生產國。[81]此外，要提取滷水中的碘還可以用硝酸銀處理，使其中的碘以碘化銀形式沉澱。然後，碘化銀和鐵反應生成碘化鐵溶液，最後用氯氣置換出其中的碘。[85]

用途[編輯]

碘大多用於生產有機碘化合物，有15%保持單質形式，15%以碘化鉀形式使用，最後15%給製成其它無機碘化合物。[24]碘化合物的主要用途包括催化劑、動物食物添加劑、穩定劑、染劑、着色劑、顏料、藥品、清潔衛生（碘酒）與照相。碘化合物的小眾用途包括除霧、人工降雨和用於分析化學。[24]

分析化學[編輯]

用碘溶液檢測種子裏的澱粉

碘可在碘量法中檢測許多物質。碘會和澱粉形成藍色的配合物，這種配合物的產生可用於檢測澱粉或碘，也是碘量法中的氧化還原指示劑。碘可用於檢測鈔票是不是用含有澱粉的紙做成的假鈔。[86]

碘常用於測定脂肪酸的不飽和度（碘價），這些不飽和度源自會和碘反應的雙鍵。[87]

碘化汞鉀 K2HgI4，又稱內斯勒試劑，常用於檢測氨。[88]類似的Mayer試劑（英語：Mayer's reagent）（碘化汞鉀的水溶液）常給用作生物鹼的沈澱試劑。[89]碘的鹼性水溶液可用於甲基酮的碘仿測試。[77]

航天器推進[編輯]

使用碘作為火箭推進劑的推進系統可變得更緊湊，重量和成本更小，且有比使用氙的離子推力器更高的運行效率。碘的原子量只比氙低3.3%，而第一和第二電離能之和就比氙低12%，這使得碘成為有前途的替代品。[90][91]

碘的使用使離子推力器變得更廣泛。[91]歐洲空間局稱這些小但可能為顛覆性的創新可以幫助清理太空垃圾問題。通過將自己墜入大氣層中燃燒，這些微型衛星在任務結束時能夠輕鬆自毀。[92]

2021年初，法國的ThrustMe（英語：ThrustMe）在軌演示用於航天器的電動離子推進器。這個航天器使用碘代替氙來作為等離子體來源，以便通過用靜電場加速離子來產生推力。[90]

醫藥[編輯]

主條目：醫療用碘

碘單質[編輯]

碘單質和含三碘陰離子 I3−的溶液（可由在難溶於水的碘單質的水溶液里加入碘化物而成，製備過程的逆反應可以產生碘單質）都是消毒劑。它也可用於治療碘缺乏症。[93]

碘還可以從碘伏產生。碘伏的例子包括：[94]

碘的抗菌作用迅速且在低濃度下就能起作用，因此可用於手術。[96]碘的具體抗菌機制不明，但它會穿透微生物，攻擊某些氨基酸（如半胱氨酸和甲硫氨酸）、核苷酸和脂肪酸，最終導致細胞死亡。碘也能抗病毒，但對細小病毒科的抗病毒能力要比包膜病毒弱。碘的抗病毒機制可能是攻擊病毒包膜的蛋白質，並通過和包膜的脂肪酸中的碳-碳雙鍵反應來使其不穩定。[97]

碘化合物[編輯]

在發現有機螯合劑之前的19世紀和20世紀初，口服碘化物曾是治療鉛中毒和汞中毒的方法。[98]碘化鉀的飽和溶液可以治療急性甲狀腺毒症。它也用於阻止甲狀腺吸收碘-131（見#同位素章節）。[99][100]

碘-131是放射性落下灰的常見成分，因甲狀腺會匯集攝入的碘-131並將它們留在那裏很久而特別危險。因此，有暴露於放射性落下灰中碘-131風險的人要一直服用含碘-127（沒有放射性）的碘片。成年人的碘片劑量是每24小時一片130 mg的碘片，而這片碘片可以提供100 mg（100,000 微克）的碘。（每天的碘攝入量通常為100微克，見#膳食攝取量章節。）攝入這麼大劑量的碘-127會使甲狀腺飽和，最小化甲狀腺吸收的碘-131。[101]

含碘的造影劑泛影酸（英語：Diatrizoic acid）

由於碘的高原子序和電子密度（英語：electron density），以及最內層電子的光電效應，它可以吸收能量低於33.3 keV的X射線。[102]出於這個原因，有機碘化合物常用作血管攝影和CT掃描中的X射線造影劑。至今發現的所有可溶於水的造影劑都含碘。

其它[編輯]

碘有很大一部分都用於合成牲畜飼料的碘添加劑乙二胺二氫碘酸鹽（英語：ethylenediamine dihydroiodide）。碘的另一大用途是Cativa催化法和孟山都法合成乙酸的催化劑。在這些乙酸合成方法中，氫碘酸會把甲醇轉化成碘甲烷，後者羰基化（英語：Carbonylation）成乙酰碘，乙酰碘之後會水解成產物乙酸，並生成氫碘酸。[103]

在晶棒法中，碘會和鈦、鋯、鉿和釷反應，然後通過碘化物的分解來提純這些金屬。鹵素燈也是使用類似的原理來延長燈泡的壽命。[104]以前的攝影膠捲使用碘化銀來作為感光材料。每年都會有數噸的碘化銀用於人工增雨。[103]

有機碘化合物赤蘚紅是重要的食用色素。[103]一種含碘的抑菌劑（AJ1629-34EC）可由顯著抑制Fusarium verticillioides（英語：Fusarium verticillioides）的生長，使它可能成為毒性較弱的抗真菌劑替代物。[105]

125I用作研究哪些配體和哪些植物模式識別受體（PRRs）結合的放射性示蹤劑。[106]含碘離子的母液或防凍劑能跟蛋白質晶體結合，為X-射線繞射提供相位資訊[107]。

對人體的影響[編輯]

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主條目：生物學中的碘（英語：Iodine in biology）
甲狀腺激素T3和T4在體內的運作系統

碘是人體必需的礦物質，用以製造甲狀腺激素四碘甲腺原氨酸和三碘甲腺原氨酸（縮寫分別為T4和T3，以碘原子的數量命名）是以調控細胞代謝、神經性肌肉組織發展與成長（特別是在出生胎兒的腦部）[108]。缺碘會使T3和T4的合成量減少，且使甲狀腺為了得到碘而變大，造成甲狀腺腫。血液中的甲狀腺激素主要由生物半衰期較長的四碘甲腺原氨酸（T4）組成，人血中T4和T3的比例在14:1到20:1之間。T4會通過脫碘酶（英語：deiodinase）轉化成生物活性更高的T3，而T3會進一步脫羧和脫碘，生成3-碘甲狀腺原胺（英語：iodothyronamine）（T1a）和甲狀腺原胺（英語：thyronamine）（T0a'）。脫碘酶含有硒，因此人體合成T3需要硒。[109]

碘佔了T4分子量的65%，以及T3分子量的59%。有15–20 mg的碘儲存在甲狀腺中，而70%的碘存在於其它組織中，包括乳腺、眼睛、胃粘膜、胎兒胸腺、腦脊髓液和脈絡叢、動脈壁、宮頸和唾液腺。在這些組織中，碘化物會通過鈉碘同向運輸蛋白（英語：sodium-iodide symporter）（NIS）直接進入細胞。乳腺組織中的碘與胎兒和新生兒發育有關，但碘在其它組織的作用仍有不明確的地方。[110]

膳食攝取量[編輯]

美國國家醫學院推薦的碘攝入量為一歲以下嬰兒110~130 µg，1~8歲兒童90 µg，9~13歲兒童120 µg，成年人150 µg，孕婦220 µg，哺乳期婦女290 µg。[7][111]成年人對碘的可耐受最高攝入量（UL）為每天1,100 μg[112]，此上限是通過分析補充劑對促甲狀腺激素的影響而定的。[110]

甲狀腺合成一天的T4和T3不需要超過70 μg的碘。[7]超過這個值的推薦碘攝入量用來使許多身體系統，包括胃黏膜、唾液腺、腦細胞、脈絡叢、胸腺和動脈壁保持最佳狀態。[7][113][114][115]

碘的天然食物來源包括海產（如魚、海帶和貝類）、乳製品和蛋。[116][117]含碘食鹽中加入了碘化鈉來增加碘含量。[117][118]

2000年，美國男人和女人的碘攝入量中位數分別為每天240–300 μg和190–210 μg。[112]美國人的碘攝入量足夠，[119][120]而育齡婦女和孕婦可能有輕微的碘缺乏症風險。[120]有認為日本人源自昆布[110]的碘攝入量很高，達到每天5,280–13,800 μg，但最新研究表明日本人的實際碘攝入量更接近於每天1,000–3,000 μg。[121]日本成年人的可耐受最高攝入量在2015年最後修改成了每天3,000 µg。[122]在食鹽加碘等碘營養強化計劃執行後發生一些由碘引起的甲亢病例（Jod-Basedow現象（英語：Jod-Basedow phenomenon））。這種情況似乎主要發生在40歲以上的人群中，當碘缺乏症嚴重且碘攝入量突然劇增時，風險似乎更高。[123]

缺乏[編輯]

主條目：碘缺乏症

當一個人的尿碘低於100μg/L時，他就患上了碘缺乏症。[124]在飲食中碘含量較少的地區（如沒有海產的偏遠內陸地區和半乾旱氣候地區）生活的人較易得碘缺乏症。[125]碘缺乏症會導致甲狀腺機能低下症，它的症狀為極度疲勞、甲狀腺腫、智力減退、抑鬱、體重增加和基礎體溫下降。[126]嬰兒和小孩因缺碘而導致甲狀腺功能減退造成的碘缺乏症是可避免的智能障礙的主因。食鹽加碘已經顯著消除了富裕國家的這個問題，但碘缺乏症在發展中國家裏仍是嚴重的公共衛生問題。[127] 給中度缺碘兒童補充碘可改善他們的信息處理、精細動作技能和視覺問題解決能力。[128]

危害[編輯]

毒性[編輯]

碘
危險性
GHS危險性符號
《全球化學品統一分類和標籤制度》（簡稱「GHS」）中有害物質的標籤圖案《全球化學品統一分類和標籤制度》（簡稱「GHS」）中對環境有害物質的標籤圖案
GHS提示詞 Danger
H-術語 H312, H332, H315, H319, H335, H372, H400
P-術語 P261, P273, P280, P305, P351, P338, P314[129]
NFPA 704
0
3
0
 
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

口服未稀釋的碘單質（I2）有毒，對成年人的致死量為30 mg/kg，也就是對於體重70–80 kg的人來說2.1–2.4克的碘即可致死。（儘管對大鼠的實驗顯示它們食用14000 mg/kg的碘後仍能生存[130]）過量的碘在缺硒（英語：selenium deficiency）時的細胞毒性更強，[131]因此給缺乏硒的人碘補充劑理論上有害。[110]碘的毒性源自於其氧化性，會使蛋白質和酶變性。[132]

碘單質會刺激皮膚，直接接觸會造成傷害，因此碘晶體需要小心處理。長時間接觸像是碘酊和盧戈氏碘液的濃碘溶液會損害皮膚。有報告殘留在皮膚上的聚維酮碘導致灼傷的案例。[133]

工作暴露[編輯]

工作場所里的人會通過吸入、攝入、皮膚和眼睛接觸碘。職業安全與健康管理局（英語：Occupational Safety and Health Administration）把碘的允許最大暴露限值（英語：Permissible exposure limit）定為0.1 ppm（1 mg/m3），而美國國家職業安全衛生研究所也把碘的建議暴露限值（英語：Recommended exposure limit）定為0.1 ppm（1 mg/m3）。碘的濃度達到2 ppm時就會立即危及生命或健康（英語：IDLH）。[134]

過敏[編輯]

一些人會對含碘產品和食物過敏，他們接觸到碘酊或聚維酮碘時會起紅疹。[135]他們使用含碘造影劑時可能也會讓他們起紅疹，甚至可致命的過敏性休克。這些過敏反應使人誤解這些人會對碘單質過敏，甚至對富含碘的海鮮過敏的人也可以這樣解釋。[136]理論上，由於人不可能對碘單質或簡單碘化物過敏，因此沒有真正對碘過敏的人。對含碘產品和食物過敏顯然與其它成分有關[137]，因此對一種含碘食物或產品過敏的人可能不會對另一種食物或產品產生過敏反應。對各種食物（貝類、雞蛋、牛奶等）過敏的患者不會增加對造影劑過敏的風險。[138][137]與所有藥物一樣，在給予任何含碘藥物前，應詢問和諮詢患者的過敏史。[139]

美國緝毒局第一類化學品[編輯]

磷可以把碘還原成氫碘酸，而氫碘酸則可以把麻黃鹼或偽麻黃鹼還原成冰毒。[140]出於這個原因，美國緝毒局歸類碘為第一類化學品。[141]

參見[編輯]

參考資料[編輯]

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參考書目[編輯]

  • Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan. Chemistry of the Elements 2nd. Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 978-0-08-037941-8. 

外部連結[編輯]

 元素週期表（鹵素）
  IA
1 		IIA
2 		IIIB
3 		IVB
4 		VB
5 		VIB
6 		VIIB
7 		VIIIB
8 		VIIIB
9 		VIIIB
10 		IB
11 		IIB
12 		IIIA
13 		IVA
14 		VA
15 		VIA
16 		VIIA
17 		VIIIA
18
1 H   He
2 Li Be   B C N O F Ne
3 Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4 K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
相關項目
以雙原子分子形式存在的元素單質
常見
罕見
奇異
各地
學術

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