Йод
Названия многих химических элементов ничего не говорят большинству людей, далёких от химии. Вот если вы не химик, сможете, не заглядывая во всезнающий гугл, сказать, где применяется теллур или, скажем, гольмий? Но с элементом, о котором сегодня пойдёт речь, всё совсем не так. Он сопровождает нас практически с самого рождения: его название ещё можно найти в букваре, хотя оттуда его вытесняют йоги и йогурты, и он ещё живёт в большинстве медицинских аптечек, правда, и там его потихоньку теснят «конкуренты». Единственное место, где у вас не получится найти йод, будет, как это ни странно, Википедия.
Кристаллы йода в стеклянной колбе. Фото: Dnn87/Wikimedia Commons CC-BY-3.0
Потому что на этом популярном ресурсе место йода занял иод. Почему так получилось, можно найти несколько объяснений, одно из которых состоит в том, что якобы йод – это общеупотребимое название, которое используется ещё и в медицине, а иод – это «химическое» название элемента. Что же, на самом деле это совсем не так, и химики отлично используют как сам йод, так и многочисленные йодистые соединения и даже проводят реакции йодирования, впрочем, и иодированием они тоже занимаются. Вы в этом можете сами убедиться, введя в поисковую строчку «йод» на сайте химического факультета МГУ – уж где, как не там можно найти настоящих химиков! Забавно, что даже в самой Википедии, например, в статье про «иодид серебра» написано, что при взаимодействии нитрата серебра с йодоводородом или йодидом калия образуется, что бы вы думали, йодид серебра. Но не будем превращать нашу статью в поле бессмысленных и ожесточённых лингвистических баталий и вместо этого лучше займёмся более интересным делом – отправимся искать Йод!
Википедия, без сомнения, полезный ресурс, но рассматривать её как истину в последней инстанции, нужно с большой осторожностью. Фото: Nohat/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Естественно, что первое место, где мы найдём йод, – это самая обычная медицинская аптечка. Что-что, а йод уж там точно должен быть! Спиртовой раствор йода наверняка когда-нибудь помогал вам при порезах и ссадинах, дезинфицируя ранку, правда, взамен йод получает несколько минут вашей боли. Йод, да и многие другие антисептики довольно сильно жгутся, хотя каких-то видимых следов на коже, кроме изменения её цвета, не оставляют. Всё дело в том, что наш организм действительно «думает», что йод нас жжёт, в самом прямом смысле этого слова. Сигнал об ожоге в мозг посылают тепловые рецепторы, которые в обычном состоянии сигнализируют, когда их температура поднимается выше 42°C. Однако под действием этилового спирта, который содержится в том же самом йоде из аптечки, чувствительность рецептора резко повышается, и он включается уже при 34°C. Поэтому чтобы нервная клетка отправила в мозг сигнал «караул, горим», уже достаточно температуры собственного тела. Так что когда вы в следующий раз помажете ссадину йодом, то знайте, что вы только что понизили порог чувствительности ваниллоидных рецепторов, о чём они вам, собственно, красноречиво и сообщат. Кстати, ненаружное применение спиртосодержащих жидкостей оказывает в точности такое же согревающее действие.
Йод – хороший антисептик для обработки ран. Фото: scienceowl CC BY-SA 3.0
Способность йода, как впрочем, и его соседа по аптечке – зелёнки стойко окрашивать кожу можно использовать в познавательных целях, если, конечно, у вас есть микроскоп. Самый обычный йод помогает увидеть ядра клеток луковой кожуры или рассмотреть зёрна картофельного крахмала. Но контрастирование с помощью йода используется не только в домашних опытах, но и в современных рентгенологических методах исследования. Суть контрастирования заключается в том, что если какой-нибудь орган или область в теле человека плохо поглощает проходящие рентгеновские лучи и, соответственно, не виден на снимке, то ситуацию исправляют с помощью специальных веществ, хорошо эти самые лучи задерживающих. Как правило, чем больше размер атома, тем лучше он ловит рентгеновское излучение, поэтому мягкие ткани, в состав которых преимущественно входят лёгкие элементы вроде углерода, азота или кислорода, плохо видны на рентгеновских снимках, а кости, в которых много кальция и фосфора, – намного лучше.
Клетки кожуры лука. Фото: Umberto Salvagnin/Flickr.com CC BY 2.0
Из этой логики лучшее контрастное вещество состояло бы из каких-нибудь соединений свинца, но здесь нужно ещё учитывать, что обследуем мы всё-таки живых людей, и отравлять их свинцом ради красивых фотографий совершенно не стоит. Поэтому из всей периодической таблицы выбрали такие элементы, которые и рентгеновские лучи хорошо поглощают, и на здоровье слишком пагубно не сказываются: барий и йод. Раз уж для лучей совершенно не важно, в каком химическом виде мы поместим йод в организм, то атомы йода можно «запрятать» внутри больших молекул, которые смогут проникать в нужные ткани, но не будут вступать в химические реакции, и спустя некоторое время самостоятельно покинут организм естественным путём. Тем не менее, йодсодержащие контрасты – это чуждые организму соединения, и они могут вызывать у некоторых пациентов тяжёлые аллергические реакции. Да и не стоит забывать, что чистый йод – это яд сам по себе, и выпитого пузырька из аптечки вполне хватит, чтобы серьёзно отравиться.
Мягкие ткани плохо различимы на рентгеновском снимке, выполненном без контраста. Фото: John Smith/Flickr.com CC BY 2.0
Но если много йода в организме – это очень плохо, то недостаток этого элемента ничем не лучше. Причина тому – тиреоидные гормоны, в составе которых есть йод, и которые вырабатываются щитовидной железой. Эти гормоны влияют на множество процессов в организме: от обмена веществ до умственных способностей. Поэтому если вместе с пищей в организм не будет поступать достаточное количество йода, необходимое для выработки этих гомонов, то это может привести к тяжёлым последствиям. Например, на многих средневековых картинах, да и на полотнах более позднего периода, можно увидеть людей с утолщением на шее или, как его ещё называют, – зобом. Причина этому – увеличение размеров щитовидной железы, которая начинает расти, пытаясь компенсировать недостаточное количество вырабатываемых гормонов. Но если в организме отсутствует необходимый строительный материал для синтеза гормона – йод, то и рост железы ничего не даёт: зоб растёт, а толку от него никакого. Кстати, рост зоба уже довольно давно связали со снижением умственных способностей – ещё Наполеон отмечал, что новобранцы с зобом плохо понимают команды, рассеянны, невнимательны, а то и просто слабоумны.
Зоб у птиц – это естественное расширение пищевода, а вот у человека – это уже сигнал о проблемах с щитовидной железой. Фото: USFWS/Flickr.com PD
Так почему человеку может не хватить йода и сколько его на самом деле нужно? Йод относится к так называемым микроэлементам – это значит, что для здоровья организма он необходим, но нужно его совсем чуть-чуть. Взрослому человеку в день требуется порядка 150 микрограмм этого элемента. Насколько это много? Одного грамма йода вам, а точнее вашей щитовидной железе, хватило бы на 18 лет ежедневной плодотворной работы без праздников и выходных. Если мы не принимаем каких-нибудь специальных медицинских препаратов или не работаем на йодном заводе, то весь объём йода поступает в наш организм вместе с едой и водой. Еда, какая бы она не была, в конечном итоге «растёт» на полях и в теплицах. Злаки, овощи, фрукты – всё это растёт на земле и служит началом пищевой цепочки. Поэтому содержание йода в продуктах зависит от того, на какой почве они были выращены. Содержание йода в почве и воде зависит от региона, и как правило, чем дальше от моря, тем меньше в почве йода. Поэтому хуже всего приходится тем, кто живёт в горах или в центре материка и потребляет продукты, выращенные исключительно в своём регионе. Жители прибрежных земель, как и те, кто находит в своём рационе место для морепродуктов, практически никогда не страдают от недостатка йода.
Рацион, составленный исключительно лишь пусть из натуральных, но выращенных на йододефицитных почвах продуктах, может плохо сказаться на здоровье. Фото: Ray/Flickr.com CC BY-NC 2.0
В морской воде, а также во всём, что растёт и плавает в морях и океанах, много йода. Именно поэтому диетологи настоятельно рекомендуют включать в рацион что-нибудь, выросшее в солёных водах, хотя бы морскую капусту. Кстати, долгое время йод в промышленных масштабах получали именно из морских водорослей. Вдоль берегов строили специальные печи, в которых сжигали дары морей, а получившуюся золу, в которой было до 5% йода, отправляли на дальнейшую переработку. Однако в двадцатом веке такой способ уступил место экстракции йода из подземных солевых вод. В природе же остался ещё один естественный канал поступления йода на сушу – через атмосферу. Вода, испаряющаяся с поверхности моря, содержит пусть и небольшой, но разнообразный набор солей и других химических веществ, в том числе и соединения йода. Подхваченный воздушными массами такой водяной пар может переноситься на десятки и даже сотни километров вглубь территории, где конденсируется и выпадает вместе с дождём, избавляя местных жителей от проблем с йододефицитом.
Ламинария или морская капуста – род из класса бурых морских водорослей, содержит много йода. Фото: Luis Mata/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Но деятельность человека смогла дотянуться даже до этого естественного механизма. Дело в том, что когда соединения йода попадают в атмосферу, ничто не ограничивает их от того, чтобы вступить в химическую реакцию с какими-нибудь другими молекулами, например, молекулами озона. Если озон в верхних слоях атмосферы защищает нас от опасных ультрафиолетовых лучей, то озон, который образуется вблизи поверхности, так называемый тропосферный озон, мало того что парниковый газ, так ещё и просто вреден для живых организмов. Вредный озон образуется в воздухе за счёт фотохимических реакций кислорода и оксидов азота – одного из компонентов выбросов промышленности и автотранспорта. Но речь здесь не об этом, а о том, что же делает озон с йодом? А делает он следующее: вступая в реакцию с озоном, соединения йода переходят в более летучие формы, по сути, превращаясь в газообразное вещество. И такой «йод» может находиться в атмосфере намного дольше, и преодолевать значительные расстояния. Например, с начала двадцатого века в альпийских ледниках стало в три раза больше йода, что напрямую связано с деятельностью человека.
Результаты деятельности человека сказываются не только на климате, но и на круговороте химических элементов. Фото: Ed Dunens/Flickr.com CC BY 2.0
Йод не только ведёт борьбу с тропосферным озоном, но и помогает человеку уже самому пытаться управлять атмосферными явлениями. Речь идёт о таком противоречивом занятии, как разгон облаков, а если говорить научным языком, то искусственном воздействии на гидрометеорологические процессы, которое сводится, как вы поняли, не только к пресловутому «разгону». Пытаться управлять силами природы человек стремился с незапамятных времён: сначала на помощь призывались шаманы и жертвоприношения, потом активно использовались молитвы, а теперь на стихию пытаются воздействовать самолётами с йодистым серебром и другими реагентами. С помощью распыляемых реагентов стремятся либо рассеять образующееся облако, либо наоборот, спровоцировать облако излить накопленную воду раньше, чем оно само собиралось это сделать. Кроме дорогого йодистого серебра, на тучи распыляют и сухой лёд, и различные соли, и даже самый обычный цемент. Всё это делается не только для того, чтобы на какую-нибудь территорию не попали капли дождя, но и с полностью противоположной целью – вызвать дождь там, где он жизненно необходим. Согласитесь, вторая цель вовсе не лишена смысла.
Регулировать атмосферные осадки – давняя и до сих пор почти нереализованная мечта человека. Фото: orkomedix/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Но ещё до того как первый самолёт распылил над облаками йодистое серебро, это химическое вещество стало знаменитым благодаря одному французу, которого звали Луи Дагер. В начале девятнадцатого века ещё не была изобретена фотография, хотя первые попытки запечатлеть изображение, образно говоря, на бумаге уже вовсю предпринимались разными исследователями. Например, Нисефор Ньепс смог запечатлеть изображение на пластинке, покрытой слоем специального битума. На тех участках пластинки, куда падал солнечный свет, битум становился нерастворимым в некоторых маслах, в то время как битум на других участках успешно смывался маслом. В результате на пластинке оставалось не очень чёткое чёрно-белое изображение – гелиогравюра, а сам метод получил название гелиография.
Луи Дагер пошёл другим путём и экспериментировал с серебряными пластинками, на которых был нанесён тонкий слой йодистого серебра, а оно, как уже было известно, распадается на свету на серебро и йод. Поэтому если на такую пластинку спроецировать изображение, то на тёмных местах йодистое серебро останется, а на засвеченных – превратится в металлическое серебро. Однако что делать дальше с такой пластинкой, долгое время не знали, пока Дагер в одном из своих опытов не обнаружил, что если на такую пластинку подействуют пары ртути, то они прореагируют с серебром, образуя серую амальгаму – по сути, проявляя скрытое изображение. Если после этого с пластинки смыть оставшийся йодид серебра, то получится чёткое изображение, почти как на фотографии. Однако, строго говоря, это не настоящая фотография, а дагеротип – так сам Дагер назвал своё изобретение. Дело в том, что дагеротип – это по сути изображение на зеркале, которое смотрится по-разному под разным углом, в то время как фотография – это уже полноценное изображение на бумаге. Однако качество изображения, которое давала дагеротипия, было настолько хорошее, что ещё пару десятков лет с момента изобретения дагеротипы успешно использовались в портретных ателье по всему миру, пока их оттуда не вытеснили уже настоящие фотографии.
Дагеротип на современных фотографиях выглядит как обычное фото, однако на самом деле, это изображение на зеркальной серебряной пластине, которое выглядит по-разному под разными углами зрения. Фото: Photos of the Past/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Помимо того, что йод помог Луи Дагеру в буквальном смысле сохранить свет на серебряном зеркале, йод ещё помогает этот самый свет создавать. Обычные лампы накаливания до прихода вездесущих светодиодов были основным бытовым источником света. Тёплый ламповый свет в таких лампах создаётся нагретой почти до трёх тысяч градусов Цельсия вольфрамовой спиралью. При таких высоких температурах даже такой тугоплавкий материал как вольфрам понемногу начинает испаряться, в результате спираль становится всё тоньше и тоньше, пока просто не перегорит. Чтобы продлить срок службы лампочки, в неё закачивают инертный газ, который не вступает ни с чем в химическое взаимодействие, но мешает вольфраму испаряться, хотя это лишь тормозит, но не останавливает процесс. Другой способ продлить лампочке жизнь заключается в обратном – внутрь стеклянной колбы закачивается не инертный, а очень активный, если так можно выразиться, газ, например, бром или йод. Как это меняет внутренний мир лампочки?
Вольфрамовая спираль лампы накаливания не вечна. Фото: Al Ibrahim/Flickr.com CC BY-SA 2.0
Атомы вольфрама, испарившиеся со спирали, вступают в химическую реакцию с йодом. Получившееся соединение, в отличие от самого вольфрама, весьма летуче, и даже если оно осядет на внутренней поверхности стеклянной колбы, оно спустя некоторое время оттуда заново испариться. Поэтому рано или поздно, когда молекула йодида вольфрама попадёт на раскалённую спираль, оно развалится на части: вольфрам вернётся обратно на спираль, а испарившийся йод будет искать себе нового металлического спутника. И такой цикл будет повторяться раз за разом на протяжении всего срока службы лампочки. Единственное условие, при котором будет происходить этот процесс – высокая температура стеклянных стенок лампочки, которая нужна, чтобы с них испарялись йодиды вольфрама. Именно из-за необходимости поддерживать высокую температуру галогеновые лампочки, в отличие от обычных делают такими маленькими.
Галогеновая лампа меньше и горячее обычной лампы накаливания. Фото: underactive/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
В заключение расскажем о том, как йод помогает астрономам искать экзопланеты, и как с его помощью можно отличить хороший мёд от плохого. Найти планету у далёкой звезды весьма непросто. Если некоторые планеты нашей Солнечной системы можно увидеть даже невооружённым глазом, то экзопланеты на орбитах даже самых близких к нам звёзд не видны ни в один оптический телескоп. Однако астрономы всё же ухитрились открыть уже более четырёх тысяч из них. Рассказ обо всех методах поиска планет за пределами Солнечной системы – это отдельная и большая тема, поэтому ограничимся лишь одним из способов обнаружения, как раз тем, где проявляет себя наш разносторонний химический элемент.
Увидеть в телескоп можно только планеты Солнечной системы, но никак не экзопланеты. Фото: dave halliday/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Чтобы узнать, есть ли у звезды планета, а если есть, то какая, астрономы наблюдают за поведением самой звезды – это единственная доступная информация. Например, можно посмотреть, не меняется ли частота света, излучаемого звездой. Как же может планета изменить спектр света звезды? Всё дело в эффекте Доплера, суть которого состоит в том, что наблюдаемая частота излучения источника, который двигается по направлению к наблюдателю, будет выше, чем когда источник, наоборот, удаляется. Классический пример этого эффекта – изменение тональности гудка приближающегося поезда или звука двигателя проносящегося на большой скорости мотоциклиста. Если вместо источника звука взять источник света, то всё произойдет так же, с тем лишь отличием, что вместо тональности звука будет меняться цвет световой волны: если источник удаляется, то цвет будет чуточку более «красный», а если приближается – то более «голубой». Теперь посмотрим, как этот эффект будет работать в системе звезда – экзопланета.
Иллюстрация эффекта Доплера для движущегося слева направо источника волн. Фото: ESA/Hubble (L. Calçada) CC BY 4.0
Когда мы говорим, что планета вращается вокруг звезды, мы немного лукавим. На самом деле оба тела вращаются вокруг центра масс системы, просто если масса звезды намного больше массы планеты, то положение этого центра практически совпадает с положением звезды. Но практически – не значит полностью, и если звезда не такая большая, а планета не такая маленькая, вроде нашего Юпитера, и к тому же расположена довольно близко к звезде, то вот это вращение звезды относительно центра масс системы уже становится заметным. Возвращаясь к нашему примеру с мотоциклом, представим, что мы сидим на трибуне и наблюдаем, как мотоциклист мчится по круговому треку. Когда он удаляется от нас, его звук становится более низким, а когда, наоборот, приближается, то более высоким. Теперь заменяем воображаемого мотоциклиста на звезду, звук на свет, а зрителя на трибуне на астронома на Земле, и получаем аналогичную картину: наблюдаемый цвет звезды будет с определённой периодичностью изменяться.
Теперь, если мы сможем зафиксировать эти маленькие повторяющиеся изменения в спектре звезды, то с уверенностью сможем сказать, что у этой звезды есть своя собственная большая планета. Есть лишь одна проблема, что если мы поставим прибор, который будет фиксировать изменения в спектре звезды, скажем, в течение нескольких месяцев, то колебания его настроек на таком продолжительном отрезке времени поглотят все полезные данные. И вот именно эту проблему решает йод! Если поместить на пути звездного луча ячейку с парами йода, и измерять уже не просто спектр звезды, а постоянно сравнивать его с неизменяющимся спектром йода, то можно поймать очень маленькие изменения спектра звезды, как раз необходимые для обнаружения экзопланеты. Йод был выбран потому, что его спектр поглощения очень хорошо подходит для подобных целей, хотя, справедливости ради, нужно сказать, что это не единственный способ калибровки спектрометров.
Как выглядят экзопланеты в реальности мы пока можем только гадать. Фото: NASA/JPL-Caltech CC BY 2.0
И напоследок, как и обещали, расскажем о том, как проверить мёд с помощью йода. Когда пчёлы собирают нектар, то чтобы превратить его в мёд, они добавляют в него различные ферменты. Один из таких ферментов, диастаза, занимается тем, что расщепляет крахмал. Поэтому натуральный свежий мёд, помимо своей «сладкой» части, состоящей из сахаров, обязательно содержит ещё множество различных биомолекул. Если же мёд долго хранился или подвергался термической обработке, то содержащиеся в нём ферменты, в том числе и диастаза, теряют свою активность. Вот это и может выявить простой тест с помощью крахмала и йода. Если приготовить раствор мёда, добавить к нему немного крахмала и оставить в тёплом месте, то в случае если диастаза активна, она сможет расщепить весь крахмал, и при добавлении капли йода полученный раствор не будет окрашиваться в характерный синий цвет. Если же синий цвет появился, значит крахмал никуда из раствора не делся, что в свою очередь говорит о том, что активной диастазы в нём не осталось, а значит, такой мёд нельзя назвать свежим.
Вот такой он, элемент из букваря и аптечки!
Мёд, который делают пчёлы, может весьма сильно отличаться от того мёда, который продаётся в банках. Фото: Brenda Benoît Dudley/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
