[個人寫作]環境中的碘與碘的簡易應用－小蟑螂的土土小窩

圖片：優碘稀釋溶液。

作者：嚴融怡

碘是在1811年由伯納·庫圖瓦(Barnard Courtois)於製造硝酸鉀時所發現的。當時處於拿破崙戰爭時期，法國對硝石的需求量很大，從法國硝化床生產硝石的過程需要用到碳酸鈉，後者可以從諾曼底和布列塔尼海岸收集的海藻中分離出來。為了分離碳酸鈉，需要將海藻燃燒，並將灰燼用水洗滌。剩餘的廢料再通過添加硫酸來銷毀。庫圖瓦曾經添加了過量的硫酸，只見一團紫色蒸氣升起。他發現這些蒸氣會在冷的表面上生成深色晶體而不是生成液體。庫圖瓦懷疑這中間的過程產生了一個新元素，但缺乏進一步研究所需的資金。他後來先後將一部分材料轉交給他的朋友，以及朋友的朋友，包括德索爾姆 (Charles Bernard Desormes)和克雷門(Nicolas Clement)等人繼續研究，並允許轉交者發表其新元素的發現。這使得後來碘的相關化學性質在材料與數據後續輾轉的過程中最後由法國著名化學家約瑟夫·路易·給呂薩克(Joseph Louis Gay-Lussac)以及英國無機化學之父漢弗里· 戴維(Humphry Davy)所確認，但是後兩者也因而為了碘的鑑定到底是誰的功勞而有所爭論，最終兩人均承認伯納·庫圖瓦是史上第一位分離出碘的人。戴維曾以直流電將碳絲燒至紅熱，讓它與這種碘的結晶接觸發現並不能將其分解，從而證明了這種新物質是一種新元素單質。而碘的元素定名其實源自於1813年給呂薩克因其生成物「帶有深紫色光澤」的性質而以希臘語 ἰώδης (深紫羅蘭色)命名碘為「iodine」。

碘分子在酸性環境中比較穩定。在常溫下通常是紫色的固體，遇高溫可釋放出紫色氣體。碘會昇華，但碘在常壓下仍然可具有液態的型態(砷是唯一在常壓下沒有液態的元素)，其昇華的原因是其固相時蒸氣壓足夠。碘在常壓下的熔點為114℃。碘是鹵素的一員，化學性質和另一鹵素成員氯有一定程度的相似。一般能與氯單質反應的非金屬同樣也可和碘單質反應，但是碘單質的氧化能力較弱，反應活性也不如氯，要有較高的溫度才能產生反應。

碘本身較難以在水中溶解，但很容易溶解在乙醇。只是採用乙醇溶解碘的形式不見得能夠應用在各類的化學反應或藥用用途方面。1829年，法國的讓‧盧戈爾(Jean Guillaume Auguste Lugol)醫師發現如果水中已經有溶解的碘離子存在，那麼碘就可以透過形成多碘離子而增加其溶解性。他並且因此第一次配製了盧戈氏碘液(Lugol's iodine)。這項試劑後來在化學分析與醫學有著許多的用途，包括治療碘缺乏症、作為消毒劑、淨水處理、消化內鏡染色、子宮頸碘染色以及早期對於屍體解剖時有關類澱粉蛋白的鑑定等等(其中盧戈氏碘液所開啟後續許多科學家對於碘染色的相關研究對生物醫學的幫助相當重要)；它還可以作為防止甲狀腺累積放射性碘131的藥劑，1986年車諾比核災當中，波蘭曾有大批成人和小孩被派發盧戈氏碘液作為緊急藥劑。這項藥劑的配置方式也啟發了其他碘溶液的配製等等。

圖片：發明盧戈氏碘液(Lugol's iodine)的讓‧盧戈爾(Jean Guillaume Auguste Lugol)醫師。

人類取自於自然界的碘來源主要是存在於智利硝石礦這類礦藏當中以碘酸鈉形式存在的碘化合物。碘雖然和氯同樣作為鹵素元素，但在海水中碘的含量其實相對較少，海水所含碘酸鉀離子和碘離子，總濃度約為0.4-0.5μM，供應海中生物所利用。碘酸鉀離子的濃度範圍是0.2-0.46μM，在表層含量較低，深層則濃度增加。表層海水的碘離子濃度約為0.1μM，深達200米以下則減少到0.01μM。溫度會影響海水中的碘物種分布，熱帶與亞熱帶地區海中植物生產力旺盛，會將碘酸鉀離子代謝成碘離子，因此熱帶海域裡的碘離子濃度比溫帶海域為高。表層海水中的碘離子經光反應會還原成碘分子並散入大氣。

不過海洋中不少生物如海帶、紫菜類海藻具有對碘較高的選擇性吸收與富集的能力，部分大型藻類受到異常的化學性或氧化性壓迫時，會將含碘的有機氣體如甲基碘、二碘甲烷等釋放到大氣。除了藻類會富集碘，另外如淡菜、海參、水母和龍蝦類的碘含量也頗高；這些生物形成了人類獲得碘的另一重要來源，因為一般陸上動植物其實含碘量並不多。

不過2010年代晚近科學研究顯示，由於海洋污染所造成海水中化學成分的改變，加上海水酸性的飆升和海溫的升高等因素，海產品當中碘含量有增加的趨勢。特別是在未來海溫持續上升的情況下，海溫升高雖然帶給藻類生長便利的條件，但也同時讓海藻能夠聚集更高的碘成分。而這對於東亞地區甚為習慣採集或人工培育各類海菜、海苔、紫菜、海帶作為食用的社群區域，可能是長期飲食上需要注意的課題。晚近以來，科學家也曾發現印度洋海洋邊界層中的無機碘通量與大氣中的氧化碘(IO)表現出相似的趨勢，大氣中的碘實際上和海洋中的碘有一定程度的關聯。人類汽車排放的氮氧化物在二次大戰後持續增加，地表污染性臭氧的數量也顯著增長；但是當這些臭氧與海水釋放的揮發性含碘鹵化有機化合物 (volatile halogenated organic compounds) 產生化學作用後，會釋放更多碘到大氣中，抵消部份臭氧造成的空氣污染。

一般不帶放射性的碘，最大來源是海洋，會透過海浪釋放進入空氣中，進入大氣中的碘化物會接收光能並進行分解與氧化等作用，並和水及其他粒子結合形成安定性較高的無機分子與微小的氣溶膠顆粒，並透過大氣運輸最終透過降雨滲入土壤及表層水中。土壤中的碘離子和碘酸根離子比較容易受到水流的沖刷而流失，也會被生長其中的植物所吸收。

碘其實也是不少陸上動物必須的養分元素，以人體來說，如果缺碘容易造成腦損傷。缺碘也是世界上很多地區腦損傷的重要原因之一。缺碘還容易造成智力發育遲緩(如地方性呆小症)、孕婦早產、流產或先天畸形兒、胎兒大腦正常發育受阻、以及甲狀腺腫大(大脖子病，這是在某些地方─特別是內陸地區較常流行的疾病；臺灣雖然距海較近，但是古早時期也曾盛行過這項疾病，是在民國52年啟動『實行食鹽全面加碘計畫』之後才使得疾病盛行率大幅減少)。然而，碘太多了也會造成甲狀腺的各類危害，像是甲狀腺炎(thyroiditis)、甲狀腺腫(Goiter)、甲狀腺機能不足或亢進、乳頭狀甲狀腺癌、過敏反應等等。

碘共有三十三種同位素，半衰期小於一天的同位素有27種，只有碘-127是穩定的。具有放射性的碘-131可以用來治療癌症與早期診斷，像是甲狀腺癌；也可作為環境系統的示蹤劑，像是運用於地熱系統的監測。碘化銀可作為照相底片的感光劑，也可作為人工降雨時的造雲晶種。碘仿可作為防腐劑。而五氧化二碘是所有鹵素氧化物當中最穩定的，碘的含氧酸(碘酸)也比氯酸與溴酸要穩定。

圖片：以氣體研究聞名的給呂薩克也曾在碘的純化和特性判定上具有重大貢獻(圖片引自維基共享資源)。

碘在1908年首次被伊斯特拉出生的安東尼奧·格羅斯蒂奇(Antonio Grossich)應用於手術前人體皮膚的滅菌。格羅斯蒂奇當時配製了碘酒(Tincture of iodine；又稱為碘酊)，碘酒通常由2%-7%的碘單質與碘化鉀或碘化鈉溶於酒精和水的混合溶液所組成。不過在美國藥典(United States Pharmacopeia, USP)當中，每100毫升標準碘酊內含有50毫升酒精，1.8至2.2克碘單質及2.1至2.6克碘化鈉，其餘部分則是純水。碘酒溶液的殺菌力很強，但缺點是刺激性很強，傷口容易有強烈刺痛，且無法使用於口腔黏膜等處的消毒，也容易抑制傷口細胞的再生。1955年H. A. Shelanski與M. V. Shelanski在費城的工業毒理學實驗室發現了聚維酮碘(Povidone-iodine; PVP-I。又稱為優碘， Excellent-iodine)。他們在體外進行測試證明其抗菌活性，並發現該複合物對小鼠的毒性小於碘酒。後來在人體臨床試驗也顯示該類化合物的藥理特性優於其他碘製劑。因此在臨床上較為溫和的優碘便逐漸取代了碘酒。

十九世紀晚期至二十世紀，在鑑識科學與分析化學均逐漸發達情形之下，碘的特性逐漸被運用於包括食物、法醫等鑑定分析。其中，碘液可作為維生素C的重要簡易測試劑。這是因為維生素C作為一種還原劑，能夠將含碘溶液中咖啡色的三碘離子(這是一種由碘分子和碘離子所組成的帶負一價多碘離子，也就是Polyiodide；是自然界最簡單的多碘離子形式)還原為無色的碘離子(如優碘水溶液的咖啡色轉變為無色)。我們可以運用含碘溶液簡易的測定食物或飲料中是否含有維生素C。至於含碘溶液可以取用市售的碘酒或是優碘溶液。

圖片：指導小朋友以優碘稀釋溶液對市面上含維生素C飲料的測試，可以讓優碘溶液朝向無色的方向轉變。

圖片：指導小朋友以優碘稀釋溶液對市面上含異抗壞血酸鈉的飲料作測試，同樣可讓優碘溶液朝向無色的方向轉變。異抗壞血酸鈉是維生素C的立體異構物，為人造的物質。雖然結構相似，但它藥用效果只有維他命C的二十分之一以下。不過抑止氧化的效果比維生素C強，且價格也比較便宜，因此很常作為食品抗氧化劑。不過如果是需要加熱的加工食物，則維生素C的效力會比較強一些。

碘可作為澱粉的指示劑。而澱粉遇到碘大致上會有兩種變色的方式。這是因為澱粉在分子結構上可分為直鏈澱粉與支鏈澱粉兩種。直鏈澱粉遇碘變藍；而支鏈澱粉的分支長度較短，遇碘作用會呈現紫紅色。這在食品科學上可作為簡易的應用。在刑事鑑定上也可作為驗鈔筆碘呈色法(iodine Test) 的運用，因為不少國家的鈔票用紙在上糊與紙漿原料上並不含有澱粉，若是一般含有澱粉的紙材便會被電分子進入其中而生成藍黑色錯合物。