Jod (I)

Jod (I)

Jod to pierwiastek, który ma symbol I, znajduje się w 17. grupie układu okresowego — fluorowców i w 5. okresie. Jego nazwa pochodzi od greckiego słowa — joeides, co w tłumaczeniu oznacza fioletowy. Jest niemetalem. Jod ma liczbę atomową 53, a jego masa atomowa wynosi 126.90447 u. Konfiguracja elektronowa wygląda następująco: [Kr]4d105s25p5, a zapełnienie powłok prezentuje się w ten sposób: 2, 8, 18, 18, 7.

W taki sposób przedstawia się historia powstania jodu i jego dalszych losów:
Bernard Courtois zaczął produkować saletrę z wodorostów, ale zauważył, że ługi warzelnicze zaczęły niszczyć mu miedziane kotły. Przypadkowo zalał mieszaninę warzelniczą kwasem siarkowym. Ku jego zdziwieniu zaczął wydzielać się fiołkowy gaz. Ulegał on od razu zestaleniu, nie przechodził w fazę ciekłą. W ten sposób francuz Bernard Courtois w 1811 roku odkrył nowy pierwiastek — jod. Chemik nie chciał nikomu opowiedzieć o swoim odkryciu. Dwa lata później postanowił zwierzyć o nim swoim kolegom. Natomiast w 1813 roku Joseph Louis Gay-Lussac dokładniej przebadał właściwości wcześniej odkrytego pierwiastka oraz nadał mu nazwę. Poprawnym symbolem jodu jest „I”, jednak w starszej literaturze można spotkać oznaczenie „J”. Bernard Courtois kontynuował pracę w swojej fabryce, a jego jod w postaci roztworu alkoholowego był stosowany jako środek dezynfekcyjny, a później do leczenia chorób tarczycy. Jean Francois Coindet odkrył, że roztwór ten potrafi wyleczyć wola tarczycy, pochwalił się on swoim odkryciem w 1820 roku. Siedemdziesiąt pięć lat później, czyli w 1895 roku Eugen Baumann potwierdził, że w skład gruczołu tarczowego wchodzi jod. W Szwajcarii w 1922 roku zaczęto stosować jodowanie soli, gdyż jest to teren oddalony od morza, a dieta tamtejszych mieszkańców była uboga w ryby, monotonna i oparta głównie na produktach mącznych i ziemniakach. Polska była jednym z pierwszych krajów na świecie, gdzie zaczęto do soli dodawać jodek potasu. Rozpoczęło się to w 1935, a zakończyło się po wybuchu II Wojny Światowej. Po wojnie jodowanie soli dalej było praktykowane. Kariera jodu rozwijała się w medycynie także na kontynencie amerykańskim. Isaak Parish był jednym z amerykańskich lekarzy. Zastosował on jod do leczenia chorób zakaźnych oczu. Jean Auguste Lugol wprowadził do medycyny solubilizowany jodkiem potasu roztwór jodu w wodzie. Roztwór ten został nazwany na cześć jego twórcy płynem Lugola i jest stosowany jako środek antyseptyczny w zakażeniach gardła, środek, który ochrania tarczycę w przypadku skażeń promieniotwórczych pochodzących z reaktorów zawierających rozszczepialny uran oraz w leczeniu niedoborów jodu w chorobach tarczycy. Po katastrofie w Czarnobylu w 1986 roku z inicjatywy Centralnego Laboratorium Ochrony Radiologicznej władze zdecydowały się profilaktycznie podać płyn Lugola mieszkańcom Polski. Wszystko po to, aby zapobiec wchłonięciu się radioaktywnego jodu 131I ze środowiska. Na początku XX w. jod zaczął wiązać się z radiologią. W 1917 roku Douglas Cameron zaobserwował, że po przyjęciu dożylnym lub doustnym jodku potasu pęcherz moczowy na zdjęciu rentgenowskim staje się nieprzezroczysty. Potwierdził to odkrycie i opisał je w 1923 lekarz Earl Osborne.

Jod w pokojowej temperaturze występuje w stanie stałym. Jest on substancją połyskliwą, niebiesko-czarną i krystaliczną. Jego temperatura topnienia wynosi około 114°C, natomiast wrze w temperaturze 184°C. Gęstość jodu wynosi 4,96 g/cm3. Pierwiastek łatwo sublimuje przed osiągnięciem temperatury topnienia (114°C). Jego para w próżni ma kolor niebieski, natomiast w powietrzu — brązowo-fioletowy. Jod ma bardzo charakterystyczny drażniący zapach. Występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych (I2). Jest on słabo rozpuszczalny w wodzie, natomiast dobrze rozpuszcza się w płynie Lugola (wodnym roztworze jodku potasu), chloroformie, alkoholach i innych organicznych rozpuszczalnikach. Jod dobrze przewodzi elektryczność. Jego najbardziej znaną właściwością chemiczną jest reakcja jodu ze skrobią. Gdy jod zostanie dodany do substancji, które zawierają skrobię, powstała mieszanina przybiera kolor niebieski.

Jod jest pierwiastkiem bardzo reaktywnym, głównie wobec metali, z którymi tworzy jodki. Jest najbardziej aktywnym elementem wszystkich niemetali, natomiast wśród fluorowców jest najmniej aktywny. Oprócz jodków tworzy także inne związki chemiczne. Występuje w nich jako jedno-, trój-, pięcio- lub siedmiowartościowy. Przykłady jodków: jodek azotu III (NI3) jest to nieorganiczny związek azotu i jodu. Powstaje w reakcji jodu z amoniakiem. Jest on silnie wybuchowy; jodek potasu (KI) to nieorganiczny związek chemiczny. Stosuje się go m.in. w analizie chemicznej czy spektroskopii.

Reaktywność jodków alkilowych wykorzystuje się w reakcjach alkilowania. Takie reakcje polegają na przeniesieniu grupy alkilowej lub aryloalkilowej do innego związku chemicznego. Ta reaktywność jest potrzebna głównie do metylowania przy pomocy jodku metylu (CH3I). Jod może tworzyć jodofory, czyli kompleksowe związki z niejonowymi związkami powierzchniowo czynnymi. Są one łagodne dla skóry, przy tym działają przeciwbakteryjnie. Jod ma utleniające właściwości. W zasadowym środowisku bardzo łatwo reaguje z ketonami oraz aldehydami, które posiadają grupę metylową w pozycji α z wytworzeniem jodoformu (CHI3).

Jod jest pierwiastkiem bardzo mało rozpowszechnionym w przyrodzie i nie występuje w postaci wolnej. Znajduje się w skałach, glebie, żywych organizmach i wodzie morskiej. W największych stężeniach występuje w solankach, które towarzyszą złożom gazu ziemnego i ropy naftowej. Jod zawarty jest także w wodzie morskiej, jego ilość jest zależna od poziomu zasolenia, średnio wnosi 0,05 ppm. Bałtyk ma bardzo małe zasolenie, dlatego zawartość tego pierwiastka w nim jest także niewielka (0,01 ppm). Organizmy morskie (takie jak koralowce, ryby i wodorosty) mają zdolność do gromadzenia w sobie jodu. Minerały jodu występują bardzo rzadko, najczęściej zawierają jodki lub jodan wapnia. Najważniejszym z nim jest lautaryt.

Produkcja przemysłowa jodu zaczęła się w latach 80. XX w. W tamtych czasach wynosiła około 12,5 tys. ton rocznie. W 2001 roku produkcja znacznie wzrosła, a liderem stało się Chile. Wyróżnia się trzy metody wytwarzania jodu: z wodorostów, solanek i saletry.
Produkcja z wodorostów jest pierwszą metodą produkcji jodu. Wykorzystywano do niej najczęściej wodorosty z rodziny listownica. Jod pozyskiwano tą metodą w latach 1817–1959.
Popiół że spalonych morskich glonów ługuje się wodą, następnie dodaje się dwutlenek manganu, w celu utlenienia jonów jodkowych do wolnego jodu I2.
4I−+ MnO2→ MnI2 + I2 + 2O2-

Następnie w 1852 roku powstała metoda produkcji z solanek głębinowych. W latach 80. i 90. XX w. solanki były głównym źródłem jodu. W celu uzyskania jodu tą metodą należy jodki, które są w niej obecne utlenić do jodu za pomocą chloru.
Tak ten proces przedstawia równanie reakcji chemicznej:
2+I−+ Cl2→ I2+ 2Cl−

Ostatnim sposobem wytwarzania jodu jest produkcja z saletry. W XVIII w. podjęto pierwsze próby pozyskania pierwiastka w ten sposób, jednak dopiero w 1868 roku rozpoczęto ciągłą produkcję. Jod jest produktem ubocznym w produkcji saletry. Ze złoża caliche (jest to skała osadowa) ługuje się jodany i azotany, a następnie przeprowadza się krystalizację azotanu sodu, prowadzi to do wzrostu stężenia jodanu. Gdy stężenie wyniesie około 0,6%, jodany są utleniane do jodków przez wodosiarczan sodu. Tak przedstawia to równanie reakcji chemicznej:
IO−3+3HSO−3→I−+3SO2−4+ H+

Do uzyskanego roztworu dodaje się roztwór wyjściowy, który zawiera jodany:
5I−+IO−3+6H+→3I2↓ + 3H2O.

Jod ma właściwości przeciwgrzybicze, antywirusowe i antybakteryjne. Z łatwością eliminuje grzyby i drożdże, robi to bez wytwarzania szczepów bakterii,. Jod jest skuteczniejszy niż antybiotyk, gdyż nie wywołuje skutków ubocznych i zwalcza także wirusy. Jod pomaga w profilaktyce wielu nowotworów, na przykład raka jajników, piersi i tarczycy. Terapia jodem pomaga w autyzmie, cukrzycy, niedoczynności tarczycy, chorobie Hashimoto, chorobach serca oraz chorobie Gravesa-Basedowa. Jod wspiera pracę mózgu i odporność. Pierwiastek pomaga przy leczeniu odleżyn, ran i stanów zapalnych. Po zastosowaniu na skórę głowy przyspiesza porost włosów. W trakcie infekcji odpowiada za rozrzedzanie śluzu i łagodzenie kataru. U chorych na cukrzycę zmniejsza zapotrzebowanie na insulinę. Uważa się, że pierwiastek zapobiega niedoczynności tarczycy u wszystkich, którzy na co dzień korzystają z telefonów komórkowych. 

Jod jest bardzo ważnym mikroelementem dla człowieka. Dostarczamy go sobie z pożywieniem i wodą. Jest on wchłaniany w prawie 90% z pożywienia w przewodzie pokarmowym. Ten pierwiastek jest absorbowany także przez błony śluzowe narządów oddechowych i skórę. Najbogatsze w jod są woda i gleba w pobliżu morza, im dalej od niego tym gleba jest bardziej uboga w ten pierwiastek. Najmniej jodu można znaleźć w glebach górskich i podgórskich. Ciało człowieka powinno zawierać około 30–50 mg jodu. Najwięcej jodu znajduje się w tarczycy, ma ona zdolność do aktywnego gromadzenia tego pierwiastka. Bez jodu w pęcherzykach tarczycy nie może zachodzić produkcja dwóch hormonów — tyroksyny i trójjodotyroniny. Oba hormony są kluczowe dla zdrowia organizmu, pierwszy z nich wpływa na procesy metaboliczne i pracę narządów płciowych. Natomiast drugi m.in. wspomaga przemiany węglowodanów i pobudza lipolizę (spalanie tkanki tłuszczowej). Niedobór jodu może doprowadzić do wola tarczycy, czyli jej powiększenia. Takie zagrożenie występuje głównie w rejonach górskich. Za dawnych czasów były to miejsca endemicznego występowania wola u dorosłych, a u dzieci — wrodzonego zespołu niedoboru jodu. Niedobory jodu są w obecnych czasach rzadko spotykane przez jodowanie soli kuchennej lub dodawanie związków jodu do mąki. Gdy dzieci mają za mało jodu w organizmie, obserwuje się u nich trudności z uczeniem się, spowolnienie wzrostu i rozwoju fizycznego w okresie pokwitania. Natomiast u dorosłych taki niedobór powoduje utrudnione utrzymanie ciąży, upośledzenie funkcji rozrodczych, prowadzi do niedoczynności tarczycy i w konsekwencji może pojawić się poczucie zmęczenia, uczucie chłodu, spowolnienie akcji serca i przemiany materii. Jod należy do mikroelementów potrzebnych człowiekowi do funkcjonowania, więc jego zapotrzebowanie jest niewielkie, wynosi około 200 mikrogramów. Zapotrzebowanie niemowląt na jod jest najmniejsze, gdyż wynosi 50 mikrogramów. Rośnie ono wraz z wiekiem. Największe jest u kobiet w ciąży i kobiet karmiących, wynosi odpowiednio 230 μg i 260 μg. Produkty bogate w jod to świeże ryby (zawierają około 170 μg na 100 g), małże (zawierają około 130 μg na 100 g) oraz krewetki (zawierają około 35 μg na mniej niż 100 g).

Mimo tego, że człowiek nie może żyć bez jodu, jego zbyt duża ilość jest dla nas niebezpieczna. Nadmiar tego pierwiastka powoduje najczęściej odczyny alergiczne, zmiany skórne, wzmożoną czynność gruczołów ślinowych oraz nadmierne wydzielanie śluzu w oskrzelach. Jod w czystej postaci jest toksyczny. Jeśli dojdzie do kontaktu czystego jodu ze skórą, pojawią się rany, podrażnienia i zmiany martwicze. Natomiast jeśli zostanie przez kogoś spożyty, wywoła bóle brzucha, wymioty w ciemnym kolorze, powstanie ciemnych plam w ustach i szum w uszach. W ciężkich przypadkach występuje stupor, czyli zaburzenie poznawcze, które powoduje brak reakcji na bodźce przy zachowaniu przytomności, wstrząs i majaczenie. Duże dawki jodu doprowadzają do uszkodzenia ścian żołądka, jelit oraz nerek. Leczenie takich zatruć polega na zażywaniu zawiesiny skrobi, która wiąże jod lub tiosiarczan sodu. Stosuje się także wymuszoną diurezę, czyli wydalanie moczu przez nerki i wyrównuje się gospodarkę elektrolitową. Długotrwałe zażywanie dużych dawek trującego pierwiastka powoduje powstanie jodzicy. Jest to choroba, która objawia się wsypką w postaci pęcherzyków i krost na skórze. Śmiertelna dawka jodu dla człowieka to 3-4 g.

Jod oprócz odgrywania dużej roli w medycynie, jest ważny dla przemysłu. Na przykład służy do identyfikacji odcisków palców, zostawionych na papierowych powierzchniach, pierwiastek jest źródłem światła w lampach halogenowych. Jod jest także wykorzystywany w obróbce metali, filmie i fotografii.

Izotopy to atomy tego samego pierwiastka chemicznego, które mają różną liczbę neutronów, ale protonów zawierają tyle samo. Zatem jod jest pierwiastkiem monoizotopowym. Oznacza to, że pierwiastek ten ma tylko jeden stabilny izotop, jest to 127I. Jod posiada także inne izotopy, ale one ulegają rozpadowi radioaktywnemu. Izotopy jodu:
110I – jego okres półtrwania wynosi 650(20) ms, Z = 53, n = 57;
111I – jego okres półtrwania to 7.5(2) s, Z = 53, n = 58;
112I – Z = 53, n = 59;
113I – Z = 53, n = 60;
114I – jego okres półtrwania to 2,1(2) s, Z = 53, n = 61;
115I – jego okres półtrwania wynosi 1.3(2) min, Z = 53, n = 62;
116I – jego okres półtrwania to 2,91(15) s, Z = 53, n = 63;
117I – jego okres półtrwania wynosi 2,22(4) min, Z = 53, n = 64;
118I – jego okres półtrwania to 13,7(5) min, Z = 53, n = 65;
119I – jego okres półtrwania wynosi 19,1(4) min, Z = 53, n = 66;
120I – jego okres półtrwania to 81,6(2) min, Z = 53, n = 67;
121I – jego okres półtrwania wynosi 2,12(1) godz., Z = 53, n = 68
122I – jego okres półtrwania to 3,63(6) min, Z = 53, n = 69;
123I – wykorzystywany jest do rozpoznawania i leczenia chorób tarczycy. Jego okres półtrwania wynosi 13,2235(19) godz., Z = 53, n = 70;
124I – jako sól jodkowa jest wykorzystywany do bezpośredniego obrazowania tarczycy przy pomocy PET (pozytonowej tomografii emisyjnej). Jego okres półtrwania to 4,1760(3) d, Z = 53, n = 71;
125I – jest także używany w medycynie m.in. do badania organów oraz do leczenia nowotworów i nadczynności tarczycy. Jego okres półtrwania wynosi 59.400(10) d, Z = 53, n = 72;
126I – jego okres półtrwania to 12,93(5) d, Z = 53, n = 73;
127I w medycynie stosowany jest do leczenia wola tarczycy, raka tarczycy i sprawdzania jej funkcji. Jest to jedyny stabilny izotop jodu, Z = 53, n = 74;
128I – jego okres półtrwania wynosi 24,99(2) min, Z = 53, n = 75;
129I – wykorzystywany w różnych aplikacjach datowania. Pozwala on np. na identyfikacje bardzo starych wód. Jest także wskaźnikiem rozprzestrzeniania się odpadów promieniotwórczych do środowiska. Jego okres półtrwania to 1,57(4)*107 lat, Z = 53, n = 76;
130I – jego okres półtrwania wynosi 12.36(1) godz., Z = 53, n = 77;
131I – stosowany do radioterapii lub obrazowania, a także w terapii nadczynności tarczycy. Jod-131 jest najbardziej rakotwórczy ze wszystkich izotopów jodu. Jego okres półtrwania to 8,02070(11) d, Z = 53, n = 78;
132I – jego okres półtrwania wynosi 2,295(13) godz., Z = 53, n = 79;
133I – jego okres półtrwania to 20,8(1) godz., Z = 53, n = 80;
134I – jego okres półtrwania wynosi 52,5(2) min, Z = 53, n = 81;
135I – ważny dla fizyki reaktorów jądrowych, używany jest w sterowaniu reaktorem jądrowym. Jego okres półtrwania to 6,57(2) godz., Z = 53, n = 82;
136I – jego okres półtrwania wynosi 83,4(10) s, Z = 53, n = 83;
137I – jego okres półtrwania to 24,13(12) s, Z = 53, n = 84;
138I – jego okres półtrwania wynosi 6,23(3) s, Z = 53, n = 85;
139I – jego okres półtrwania to 2.282(10) s, Z = 53, n = 86;
140I – jego okres półtrwania wynosi 860(40) ms, Z = 53, n = 87;
141I – jego okres półtrwania to 430(20) ms, Z = 53, n = 88;
142I – jego okres półtrwania wynosi ~200 ms, Z = 53, n = 89;
143I – jego okres półtrwania to >300 ns, Z = 53, n = ;90
144I – jego okres półtrwania wynosi >300 ns, Z = 53, n = 91.