智力元素——碘

关于“碘”说在前面

说到碘，那可是大家最熟悉的“陌生人”了。食用加碘食盐、磨破的伤口用碘伏擦拭等等都是我们耳熟能详的事情，但我们对碘的认识好像也就止步于此了。碘单质是怎么发现的？碘又为何被誉为智力元素？碘的主要应用又有哪些？今天，我们一起来扒一扒碘的前世今生。

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碘单质的发展史

碘单质的发展史并不是一蹴而就的，我们在史书上看到的寥寥数笔，可能是科学家穷尽一生而追求的真理。碘单质的发展史与当时的科学思想进步史、科学方法完善史风雨同舟、休戚与共。

法国化学家伯纳德·库特瓦在第戎经营一家硝石厂，原是在金属大桶中蒸发木灰溶液提取钾盐。由于战争造成的全面封锁，生产原料只得由海藻灰烬（主要成分是碘化钠NaI）替换以前的木灰。1812年，在用浓硫酸清洗大桶时，库特瓦惊奇地观察到容器内产生了一股紫色蒸气，这紫色蒸气遇冷凝结成黑色且带有金属光泽的固体（图1）。他发现这种物质的神奇之处在于：不受高温影响，也不易与氧或碳反应，但却能与氢和磷化合。库特瓦很想继续研究，但实验药品和仪器以及资金的缺乏不得不让他停止了实验。在现在看来，海藻灰烬与浓硫酸的反应方程为

8NaI+5H2SO4==4I2+4Na2SO4+H2S+4H2O

这美丽的紫色蒸气便是碘单质。

图1 碘单质 （图片来源于网络）

库特瓦不想就此断送了新的发现，于是将这个现象告诉了他的同事尼古拉斯·克莱门特（法国化学家）和查尔斯·伯纳德·德索尔姆（法国化学家）。1813年11月29日，克莱门特发表了题为《库特瓦先生从一种碱金属盐中发现的新物质》的报告。报告中写道：“海藻灰溶液里添加浓硫酸并加热会产生一种紫色蒸气，蒸气遇冷凝结成层状薄片。这些薄片难溶于水，溶于乙醇，易溶于乙醚。它在75℃ 左右挥发，既不是酸性的，也不是碱性的。”但此时这种新物质的面纱仍然没有被揭开。

由于当时克莱门特和德索尔姆并不代表权威，法国科学院便将这个任务委托给了化学家约瑟夫·路易·盖吕萨克。在此之前，也就是1813年10月，戴维在前往巴黎时，机缘巧合之下也获得了这种物质的样本。盖·吕萨克听说后非常着急，他说：“这个物质本是由法国人最先发现的，现在发现它的荣誉要落到英国人身上，这是爱国科学家绝不能容忍的。”科学是没有国界的，但科学家是有祖国的。盖·吕萨克强烈的民族责任感无论是在当时还是在如今，都是值得我们学习与敬仰的。

在昼夜不停的实验下，盖·吕萨克于12月在法国科学院宣读了《由库特瓦发现的新物质形成的一种新酸》的报告。紫色蒸气使这种新物质被冠以ione的名称（来自紫色的希腊语ioeide）。新物质的性质与氯极其相似，在通电状态下，能稳定存在不分解。所有的现象都说明：碘是一种元素。12月20日，他又发表了《关于碘和氧结合的说明》。他阐述碘能形成氢酸（氢碘酸）和含氧酸（碘酸），并揭示氢碘酸仅含氢元素和碘元素，进一步引出了含氢酸的概念。

在这个过程中，戴维也没有闲着，他发现这种物质在某些方面与氯相似，用伏打电池对其进行电解时，紫色气体没有发生任何的变化，因此他证明碘是一种元素。在法国它被命名为ione，戴维认为将ione英译为iodin，能更好地匹配chlorin（氯）和fluorin（氟）。到19世纪30年代，iodin演变成现在使用的iodine。

历时九个月的废寝忘食，盖·吕萨克于1814年8月1日在法国科学院宣读了关于碘的所有研究成果报告。盖·吕萨克和戴维虽然提出碘元素的概念，但由于波义耳和拉瓦锡将元素和单质这两个不同的概念混淆起来，这里所提出的碘元素其实是碘单质。

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智力元素的由来

为什么碘被称为智力元素呢？

碘是人体必不可少的微量元素之一，碘元素的缺乏会导致甲状腺激素合成受阻，激素的缺乏进一步造成全身多系统紊乱，尤其对智力造成巨大的影响，因此碘被誉为不可或缺的“智力元素”。相关研究分析发现，长期缺碘儿童的平均智商要低于正常儿童，而后期给予补碘对儿童智力有一定的改善作用。对严重缺碘地区的孕妇补碘会显著提高新生儿的智商。众所周知，个体智力水平与国家的经济发展水平在某种水平上存在着线性关系。我国是一个碘分布不均匀甚至复碘分布杂的国家，不同地区缺碘程度不同，有些地区又属于高碘地区，基于此国家制订了“因地制宜、分类指导、科学补碘”相关的政策。

除了对智力的影响首当其冲外，成年人缺碘通常会表现为甲状腺组织肿大（俗称大脖子病，如图2）、甲状腺组织损伤等。历史上瘿病（甲状腺肿）首见于《诸病源侯论·瘿候》，而《吕氏春秋·尽数篇》也有“轻水所，多秃与瘿人”的记录。

图2 甲状腺肿（图片来源于网络）

按照这个说法，补碘是不是多多益善呢？

事实并非如此！相关的动物实验结果说明，摄入大量碘的大鼠，会出现甲状腺功能减退的现象，甚至会直接导致死胎。骨骼畸形情况也常有发生。由此看来，碘这种“傲娇”元素，缺碘不行，高碘也不行。完美诠释了什么叫做过犹不及的智慧。

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碘的主要应用

碘是一种卤族元素，化学符号为I。自然界的碘主要是以碘酸钠NaIO3的形式存在于智利硝石矿中，海洋中的某些生物（如海藻、海带等）具有选择性吸收和富集海水中碘的能力。除了对机体的生长智力发育有举足轻重的作用外，碘作为基本无机原料之一，在医疗、化学、材料等领域也有一席之地。

（1）含碘医疗药物

早期的含碘医疗药物包括碘酊、碘伏、复方碘溶液等简单配剂。碘酊其实是碘酒，它的作用机理是使病原体的蛋白质变性而起到杀菌、消毒的作用。但是由于碘酊含有酒精而具有刺激性，所以不可用于破损的皮肤或粘膜等地方。碘伏却可以对破损的皮肤黏膜进行消毒杀菌而不会产生疼痛感。由于科技的发展，将碘引入化学分子中，研制出各种药剂已不在话下。含碘的药剂在CT检测造影技术中应用广泛，如鼻咽部碘化油造影技术、胰腺疾病用碘造影技术诊断等。主要用于心血管造影、脊髓造影、脑池CT扫描检查等等方面。

（2）碘催化反应

自1953年首次把碘用于催化合成氮杂环丙烷以来，分子碘作为催化剂，逐渐受到广泛的关注。由于碘具有使用方便、成本低、毒性低、活性高、用量少、选择性好、反应条件温和、反应时间短等特点，其催化应用也日益被人们重视。

（3）材料的掺杂作用

白炽灯是常见的一种灯，人们在填充的气体中掺杂了少量的碘，这就是碘钨灯（图3）。碘钨灯的工作原理类似于白炽灯，不同点在于碘钨循环——碘蒸气在低温时（相对的）与钨化合，在高温时与钨分解。这样，就把位于灯管其他部分已经升华的钨化合掉，再在灯丝上分解，这大大减少了钨的蒸发量，延长了它的使用寿命，发光效率也提高了很多。与普通白炽灯相比，碘钨灯还具有体积小、光色好、寿命长等优点。

图3 碘钨灯（图片来源于网络）

在玻璃这种常见的材料中掺杂碘化银，会产生新的光学现象。用参杂碘化银的玻璃制成的变色眼镜（图4），在阳光下，会自动变成墨镜，无阳光时自动复原。这么酷炫的原因是，在强光作用下，碘化银晶体分解为无数碘原子和银原子，而不透明的银原子布满玻璃，玻璃就变暗了。在弱光作用下，银原子与碘重新结合，再次变成微小透明的碘化银晶体，玻璃也就透明起来了。

图4 变色眼镜（图片来源于网络）

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小结

碘单质的发展史不仅仅是公式、符号的记录，其中科学家们探索未知元素的恒心与毅力，科学家们逆向思维、敢为人先的创新精神，对于努力提高全民族科学文化素质的今天而言，意义重大。在缺碘与高碘之间的取舍，使得人们越发清晰的明白中庸之道，不偏不斜，过犹不及的道理。碘活泼的性质以及大量的同位素，使得碘具有广泛的应用前景。在广大科技工作者的不断努力探索之下，必将开发出更多新用途。