XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Необыкновенный галоген

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Исмагулов Э.Д. 1

---

1Государственное автономное общеобразовательное учреждение Саратовской области "Гимназия №1"

Ким Е.П. 1

---

1Государственное автономное общеобразовательное учреждение Саратовской области "Гимназия №1"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Дорогие друзья, всем вам знаком йод, точнее его настойка, которая хранится у каждого в аптечке! Но что Вы знаете о нем? Как он получается, кем был открыт и где еще нашел свое применение? Или, например, что такое йодо-дефицит?

«Химия как наука и химическая отрасль промышленности – это две области человеческой деятельности, тесно связанные между собой. Прогресс в одной области неизменно вызывает движение вперед и в другой. Ни у кого не вызывает сомнения утверждение, что на достижениях науки химии построены все виды промышленной химии. Примеров такого влияния можно привести бесконечное множество. Но нередко можно проследить и обратное влияние самого производства на развитие химической науки.»

Так как для любого человека, не исключая меня, здоровье является приоритетом, мне стало интересно, какие вещества активно используются в медицинских целях, какова история их открытия и на основании каких свойств их применяют? Также я заинтересовался темой микроэлементов, а именно их ролью в организме человека.

Всё это стало для меня очень любопытным, и тогда я решил выбрать какой-то химический элемент, соединения которого активно применяются медицинских целях, и досконально изучить его, чтобы дать не один, а сразу несколько ответов, на свои же вопросы. Мой выбор сразу же упал на один из самых загадочных, но в то же время, распространенных и часто встречающихся в виде соединений в быту, элементов Периодической системы Д.И. Менделеева – йод, который мы знаем.

Целью исследовательской работы является изучение свойств йода, его соединений, а также их использование.

Исходя из поставленной цели, были определены следующие задачи:

- провести анкетирование, с целью выявления актуальности проблемы применения йода;

- изучение литературы по истории открытия йода и его химическим свойствам;

- исследовать отрасли и способы применения йода;

- определить роль йода в организме человека;

- сформировать навыки ведения исследовательской работы и проведения эксперимента; умения работать с материалом и создания презентации.

Глава 1.

Элемент, открытый котом

Чтобы чётко понимать и осознавать, что изучается в ходе исследования, необходимо в подробностях знать историю открытия изучаемого объекта, в моём же случае, йода.

Так, по одной из версий, в 1811 году французский химик-технолог Бернар Куртуа проводил очередные опыты с золой морских водорослей. Приятное общество исследователю составляли его любимцы - коты.

В самый разгар эксперимента один из усатых, привлеченный манипуляциями хозяина над разными склянками, вспрыгнул на рабочий стол и двинулся среди сосудов к одному ему известной цели, как вдруг, две склянки, задетые котом, упали на пол и вдребезги разбились. Компаньон исследователя, напуганный звоном бьющегося стекла, стремительно бросился прочь. И возможно, Куртуа пустился бы за ним, тут его взору открылось впечатляющее зрелище: над лужицей смешанных жидкостей поднялось красивейшее облачко фиолетовых паров. Как оказалось, в одном из разбитых сосудов находилась серная кислота, в другом - настой морских водорослей.

Насколько правдоподобен этот рассказ в свете современных химических знаний? Действительно, серная кислота, действуя на йодистые соли щелочных металлов (KI, NaI), выделяет йодистый водород (HI). Как вещество активное, он в присутствии серной кислоты разлагается с выделением свободного йода:

H₂SO₄ + 2НI = 2Н₂О + SО₂ + I₂

Вполне возможно, что еще и до Куртуа химики наблюдали в экспериментах фиолетовые пары, однако именно этот исследователь заинтересовался явлением настолько, что стал внимательно изучать его и вскоре смог сделать соответствующие выводы.

Этот случай прекрасно демонстрирует то, что очень многие открытия в мире науки - дело случая. Как звали кота Бернара Куртуа, история, к сожалению, умалчивает. А вот имя Куртуа до сих пор носит одна из улиц города Дижона, где работал ученый.

Что же касается йода, то вскоре после открытия Куртуа вышла первая научная публикация об обнаруженном веществе, его стали изучать химики разных стран, в том числе такие светила науки, как Жозеф Гей-Люссак и Хэмфри Дэви. Год спустя эти ученые установили элементарность вещества, и Гей-Люссак придумал новому элементу название - йод. Оно образовано от греческого сложного слова с двумя основами, имеющими значения «фиалка» и «вижу, кажусь», то есть перевести его можно как «похожий цветом на фиалку» и связано это название, конечно, с особым цветом паров нового элемента.

Йод – элемент и вещество

В периодической системе Менделеева этот химический элемент числится под номером 53 и относится к числу галогенов, составляющих основную часть VII группы. Галогены - буквально «рождающие соль», то есть это те элементы, которые при соединении с металлами образуют соли. Кроме йода в эту группу входят фтор, хлор, бром и астат. Йод - единственный из природных галогенов, который при нормальных условиях находится в твердом состоянии; он, к тому же, самый тяжелый, не считая радиоактивного «короткоживущего» астата. В свободном виде в природе йод не встречается. Практически весь природный йод состоит из атомов одного-единственного изотопа с массовым числом 127. Важнейшие соединения йода - йодистые калий и натрий.

Чистый йод — это красивые темно-серые кристаллы с блеском.

Для йода характерны такие «металлические» свойства, как отчетливо выраженное кристаллическое строение, способность проводить электрический ток. Но в отличие от большинства металлов йод очень легко переходит в газообразное состояние; превратить йод в пар легче, чем в жидкость.

Нахождение в природе

Содержание йода в земной коре незначительно, оно не превышает 0,001%, но, тем не менее, он присутствует повсюду. Даже в сверхчистых, казалось бы, кристаллах горного хрусталя находят микропримеси йода, им пронизана вся живая и неживая природа: горные породы и почвы, окружающий воздух, пресные и соленые воды - все содержит йод. Еще больше йода в плодах, злаках, организмах животных и, наконец, в самом человеке.

Основным резервуаром йода, поставляющим его в биосферу, служит Мировой океан. Он накапливается в больших количествах в морских водорослях и губках (отдельные виды губок содержат до 10% йода), но почти полностью исчезает из морской воды при испарении. Из океана соединения йода, растворенные в каплях морской воды, попадают в атмосферу и переносятся ветрами на континенты. Соответственно, местности, удаленные от океана или отгороженные от морских ветров горами, им обеднены.

Получение: промышленный способ

Изначально практически единственным источником промышленного получения йода были водоросли, а во второй половине XIX века йод стали получать из отходов селитряного производств.

В нашей стране еще в 1882 году йод был обнаружен русским химиком А. Л. Потылициным в подземных и нефтяных водах на Кубани, откуда позднее он и стал добываться. В дальнейшем подобные воды были открыты в Туркмении и Азербайджане.

В 1930 году советским инженером В. П. Денисовичем был разработан угольный метод извлечения йода из нефтяных вод, и довольно долго он был основой советского йодного производства. И вот в чём он заключался и заключается сейчас. Вода очищается от механических примесей и нефти и подается в деревянные напорные баки, откуда самотеком поступает в смеситель. Здесь она подкисляется серной кислотой и окисляется нитритом натрия или хлором. Из смесителя буровая вода, уже содержащая свободный йод, попадает в высокие цилиндрические резервуары - адсорберы, на 75-80% заполненные активированным углем. Насыщенный йодом уголь нагревается и отмывается раствором щелочи в железных резервуарах - десорберах. При этом свободный йод, поглощенный углем, снова превращается в йодистые соли. В дальнейшем они очищаются от примесей на фильтрах и поступают в чаны-кристаллизаторы, где происходит окончательное выделение свободного йода путем добавления какого-нибудь окислителя, например, бертолетовой соли (KClO₃), хромпика (K₂CrO₇) и т. п. Образующиеся кристаллы промываются водой и затем прессуются в бумажных или суконных салфетках.

Кроме того, йод может быть извлечен из буровых вод электролизом, выдуванием воздухом и другими способами, однако эти методы не нашли широкого промышленного применения. Тем не менее содержание йода в подземных водах и попутных водах нефтедобычи очень мало.

Глава 2.

История применения

История применения в медицине йода весьма своеобразна. Случилось так, кто целебные свойства его нашли широкое применение за три тысячи лет до того, как был открыт сам элемент.

Ещё в глубокой древности, в Египте, впервые был описан зоб – наиболее типичное заболевание, связанное с недостатком в организме йода. И хотя врачи того времени уже предполагали, что возникновение болезни вызывается отсутствием в пище определённых веществ, однако выделить эти вещества и назвать их у них не получалось. Изучали также зоб в древнем Риме и Греции – Аристотель, Петрувиус, Ювенал и др. Для лечения использовали водоросли, опытным путём заключив, что этот продукт восполняет те недостающие вещества, которые отвечают за нормальное функционирование щитовидной железы.

Сознательно обогащённую йодом пищу, как говорят об этом сейчас, применяли для лечения зоба и в Китае. Первые сообщения об этом появились там аж за три тысячи лет до нашей эры. Причём авторы не только перечисляют признаки зоба, но и объясняют причины его появления: питьевая вода, горные районы, эмоциональные неурядицы.

Механизм же деятельности щитовидной железы в организме долгое время был непознанным. Римские врачи первыми заинтересовались её работой и заметили, что даже у абсолютно здоровых людей в определенные периоды жизни щитовидка может увеличиваться. Ей вообще отводилась чуть ли не мистическая роль. В древности её считали местом, где поселяется душа.

В то же время некоторые народности, например эскимосы, проживающие в Гренландии, никогда не страдали подобными заболеваниями – они практически никогда не употребляют в пищу красного мяса, а основу их питания составляют продукты моря.

Но уже в девятнадцатом веке, в 1850 году, учёные Прево и Шатен установили, что распространённость заболевания зобом находится в прямой зависимости от содержания йода в воздухе, почве, потребляемой людьми пище. Эти исследования провозгласили, что специфическое средство борьбы с зобом – йод и тем самым ввели, так называемую, йодную теорию

В 1896 году новые исследования обнаружили йод в ткани щитовидной железы и выделили из неё особое йодсодержащее вещество – тиреогобулин. Опыты показали, что в ней также содержится поразительно много йода и вырабатываются йодсодержащие гормоны.

С этого момента значение йодной теории резко возросло. Таким образом, тесная связь межу потребностью организма в йоде и развитием многих заболеваний стала практически очевидной.

Соединения йода добавляют в поваренную соль – это помогает ликвидировать недостаток йода в щитовидной железе. Добавление небольших доз йода в корм скоту увеличивает удой молока у коров, способствует росту шерсти у овец, повышает яйценоскость кур.

Йод является очень сильным антисептическим препаратом. А также используется для изготовления лекарственных препаратов.

В промышленности применение йода пока незначительно по объему, но весьма перспективно. Так, на термическом разложении йодидов основано получение высокочистых металлов.

Сравнительно недавно йод стали использовать в производстве ламп накаливания, работающих по йодо-вольфрамовому циклу. Йод как бы заботится о сохранении вольфрамовой спирали и тем самым значительно увеличивает время работы лампы.

Так же 0,6% йода, добавленного к углеводородным маслам, во много раз снижает трение в подшипниках из нержавеющей стали и титана. Это позволяет увеличить нагрузку на трущиеся детали белее, чем в 50 раз.

Йод применяют для изготовления специального полароидного стекла. Такое стекло используют в автомобилях. Комбинируя несколько поляроидов или вращая полароидные стёкла, можно достигнуть исключительно красочных эффектов – это явление используют в кинотехники и в театре.\Так же йод применяется в фотоделе.

В последние годы резко повысился спрос на йод со стороны производителей жидкокристаллических дисплеев.

Суточная потребность организма в йоде

Поступающий с пищей и водой йод в виде солей йодоводородной кислоты – иодидов, всасывается в верхних отделах тонкого кишечника, откуда переходит в плазму крови и поглощается щитовидной железой. Суточная потребность:

Дети до года - 50 мкг.

Дети от 1 года до 6 лет – 90 мкг.

Дети от 7 до 12 лет - 120 мкг.

Подростки от 12 лет до 16 лет – 140 мкг.

Взрослые от 16 до 60 лет – 150 мкг.

Беременные и кормящие женщины – 200 мкг.

Люди старше 60 лет - 100 мкг.

Суточная потребность человека в йоде составляет примерно 3 мкг на 1 кг массы.

Продукты богатые йодом

Йод — незаменимое вещество в нашем организме. Каждый человек ежедневно должен употреблять в пищу продукты, богатые йодом. Ежедневная потребность в йоде у людей равна 150 мкг. Для беременных женщин это значение даже выше. В этой статье мы привели список продуктов, богатых йодом. продуктов, которые каждый день есть в рационе людей, заботящихся о своем здоровье.

Самым лучшим источником йода являются морские водоросли. Сухая ламинария содержит от 26 до180 мг на 100 г, морская капуста – 200-220 мг йода, а морепродукты и морская рыба от 300 до 3000 мг. Это самые богатые йодом продукты, запомните их.  

Молочные продукты, мясо, яйца и различные овощи – другие источники йода для организма человека. Максимальное количество йода из этой группы содержат молочные продукты (само молоко -16 мг, кефир немного меньше – 14 мг, сметана – 8 мг йода, а сливки содержат 9 мг).

Овощи, богатые йодом. На первом месте идет фасоль (12 мг), за ней чеснок на втором месте (9 мг), и далее свекла (7 мг), помидоры (6 мг). Соя, виноград, редис и зеленый салат содержат 8 мг йода, а морковь, картофель и зеленый горошек – 5 мг. По 2 мг йода содержится в яблоках, апельсинах, вишне и баклажанах, а груши, крыжовник, черная смородина и абрикосы – в два раза меньше. Самой богатой йодом крупой является пшенная. Она содержит 4,5 мг на 100 г крупы, по убыванию дальше следует гречневая крупа (3,3 мг), пшеничная крупа (1,5 мг) и последняя — рисовая (1,3 мг).

Чтобы восполнить количество йода в организме, употребляйте в пищу богатые йодом морепродукты и овощи. Ешьте чаще креветок, устриц, крабов, морскую капусту, водоросли и рыбу. Не забывайте про овощи. Для восстановления запасов йода полезны морковь, редька, томаты, картофель, зелень (лук, спаржа, ревень и шпинат), горох, капуста, грибы. Балуйте себя бананами, свежими ягодами (клубникой, черной смородиной, черноплодной рябиной и черным виноградом).

Меры предосторожности

Следует помнить, что йод в чистом виде является сильнодействующим ядом. После, хоть и косвенного, контакта с ним может начаться совокупность побочных эффектов: рвота, повышение температуры, падение артериального давления; могут возникать судороги, возможно развитие токсического отёка лёгких.

В таком случае необходимо сразу принять в небольшом количестве крахмал, мучной клейстер, рисовый или овсяной отвар, солевое слабительное. Затем как можно скорее отправиться в больницу.

Не забывайте о пользе йода. Регулярно ешьте продукты, богатые этим элементом. Будьте здоровы!

Глава 3

Экспериментальная часть

Опыт 1. Растворимость йода в различных растворителях

Цель: изучить растворимость йода в различных растворителях.

Оборудование: кристаллы йода, 20 мл воды, 20 мл спирта, 20 мл йодида калия.

А) растворимость в воде.

В химический стакан с дистиллированной водой поместили несколько кристаллов йода (Фото 1)

Фото 1

Б) растворимость в органических растворителях.

В химический стакан со спиртом поместили несколько кристаллов йода. Наблюдаем растворение йода. (Фото 2).

Образование йодной тинктуры. (Фото 3)

Фото 2 Фото 3

Вывод: йод хорошо растворим в органических растворителях (спирт), но хуже его растворимость в воде (Фото 4).

Фото 4

Опыт 2. Возгонка йода

Цель: экспериментально осуществить возгонку йода.

Оборудование: запаянные в пробирке кристаллы йода, спиртовка.

Нагреваем кристаллики йода, находящиеся в запаянной пробирке (Фото 5). При этом пробирка наполняется фиолетовыми парами йода (Фото 6), которые, охлаждаясь, оседают на ее холодных стенках в виде блестящих мелких кристалликов. (Фото 7)

Фото 5 Фото 6 Фото 7

Вывод: йод имеет свойство возгоняться (это явление называется сублимацией).

Опыт 3. Взаимодействие с металлами

Цель: изучить взаимодействие йода с алюминием (Фото 8)

Оборудование: стеклянная пластинка, кристаллы йода, алюминиевая пудра, вода, пипетка, шпатель, ступа и пестик.

Фото 8

В ступке растерли кристаллический йод, смешиваем равные объемы истертого в порошок йода и алюминиевую пудру (Фото.9, 10). Смесь собираем шпателем в кучку и делаем углубление, затем пипеткой капаем воду (Фото 11). Под каталитическим действием воды йод и алюминий начинают бурно реагировать с образованием йодида алюминия.

Выделяется большое количество паров йодида - фиолетового цвета (Фото 12).

3I₂ + 2Al → 2AlI₃

Фото 9 Фото 10

Фото 11 Фото 12

Вывод: йод бурно взаимодействует с алюминием с образованием фиолетовых паров йодида алюминия (вода в данном эксперименте выполняет роль катализатора).

Опыт 4. Качественная реакция на йодид - ион

Цель: изучить качественную реакцию на йодид ион.

Оборудование: пробирка, йодид калия, нитрат серебра.

В пробирку приливаем небольшое количество йодида калия, затем приливаем раствор нитрата серебра (Фото 13). Наблюдаем образование йодида серебра - осадка желтого цвета (Фото 14,15).

KI + AgNO₃ → KNO₃ + AgI↓

Фото 13 Фото 14

Фото 15

Вывод: качественной реакцией на йодид ион является взаимодействие с растворимыми солями серебра, при этом образуется желтый осадок.

Заключение

В ходе исследования было установлено, что йод является важным химическим элементом, соединения которого широко применяются в медицине благодаря своим антисептическим и антимикробным свойствам.

Выводы:

1. Йод является эффективным антисептиком и применяется в медицине для дезинфекции кожи и слизистых оболочек.

2. Йодный дефицит может привести к развитию заболеваний щитовидной железы, поэтому его регулярное употребление необходимо для поддержания здоровья.