Kemi med zinkjodid, del 1: Framställning

Kemisk bakgrund

Exoterma reaktioner

En spontan reaktion är en reaktion som sker "av sig själv", utan krav på energitillförsel utifrån. Vanligtvis frigörs i stället energi sedan den spontana reaktionen kommit igång. En sådan reaktion kallas exoterm. En viss mängd energi, s k aktiveringsenergi, behövs dock som tändsats. Man kan minska storleken av tändsatsen genom att tillsätta en katalysator. En katalysator är ett ämne som underlättar en kemisk reaktion utan att själv förbrukas. I vår reaktion är vatten en katalysator som gör att ämnena kommer i bättre kontakt med varandra och rumstemperaturen räcker som "tändsats" för att sätta igång reaktionen.

Andra exempel på reaktioner som sätter igång sig själva är när tyg eller trassel indränkt med linolja självantänder.

Att vattenlösningen leder elektrisk ström tyder på att laddade partiklar finns i vatttenlösningen. De laddade partiklarna i lösningen kallas joner och har uppkommit genom att atomerna zink och jod avgivit respektive tagit emot, elektroner. Reaktionen är följande:

Zn(s) + I2(s) Zn2+(aq) + 2 I-(aq)
zink jod zinkjoner jodid (joner)

Grundämnena jod och zink

Jod och zink är livsviktiga grundämnen. Zink är en nödvändig beståndsdel i flera enzymer och andra proteiner som deltar i ämnesomsättningen och regleringen av geners aktivitet. Giftigheten hos bly och kadmium anses bero på att de intar zinkens plats i viktiga enzymmolekyler. Människokroppen innehåller totalt 2-3 g zink som finns i störst koncentration i hud, hår, naglar, ögon och prostatakörtel.

Zinkbrist leder hos människan till försämrad sårläkning, hudförändringar och håravfall; hos barn dessutom till tillväxthämning, försenad pubertet samt fördröjd mental utveckling. Inom medicinen används zinkhäftor för att underlätta läkning av svårläkta sår.

Kött och inälvsmat utgör viktiga zinkkällor i kosten, liksom fullkornsprodukter. Musslor, ost och nötter är också zinkrika [2].

Galvaniserad spik

Offeranoder Zink används i stor omfattning som skydd mot korrosion på järn och stål. Galvanisering innebär att man belägger järnet med ett skyddande lager av zink. Skyddet fungerar så att så länge det finns zink kvar så korroderar den först, men järnet klarar sig. T.ex. kan man köpa galvaniserad spik. Den rostar inte så snabbt. På båtar använder man s k offeranoder av zink.

Jod är ett spårelement utan vilket svåra sjukdomar skulle uppkomma. Av kroppens totalt ca 25 mg finns hälften i sköldkörteln, där den ingår som en nödvändig del i för ämnesomsättningen viktiga hormoner. Jodbrist leder till en förstoring av sköldkörteln, struma, p.g.a. sänkt halt av sköldkörtelhormon som kroppen försöker kompensera med att förstora körteln.

Påtaglig jodbrist hos spädbarn leder till en allvarlig bristsjukdom, kretinism, som kännetecknas av dvärgväxt och psykisk utvecklingsstörning. För att förhidra detta tillsätts jod till vanligt bordssalt. Därför är s.k. jodsalt den dominerande jodkällan.

Jod förekommer naturligt främst i fisk och skaldjur. Grönsaker, mjölk och ägg är andra jodkällor i kosten.

Jod används i medicinen som bakteriedödande medel. Det ingår även i vissa mediciner mot reumatism. Ett annat användningsområde är som kemikalie för fotografering samt framställning av visssa färgämnen.

Fördjupning

Jod

Jod är ett grundämne

Jod är ett grundämne som i ren form består av blåsvarta glänsande kristaller. Den kemiska beteckningen är I, som kommer av det grekiska ordet ioeidēs, som betyder violett. Som grundämne bildar joden tvåatomiga molekyler, I2(s), som även tål uppvärmning till gasform, I2(g).

Jod sublimerar i rumstemperatur, dvs. övergår direkt mellan fast form och gasform utan mellansteget vätskeform. Det fasta ämnet övergår till en violett gas som har en irriterande lukt och är mycket irriterande för ögon och slemhinnor. När jodgasen kondenserar igen bildar den lätt kristaller.

Förekomst

Jod förekommer sparsamt i form av i nitrathaltig jord, i olje- och saltbrunnar och i havsvatten. Grundämnet anrikas naturligt i bland annat tång, men i havssalt är halterna generellt sett låga. Man kan också framställa ren jod bl a genom att låta kaliumjodid reagera med koppar(II)sulfat.

Jod är desinficerande

På grund av sin oxiderande förmåga är jod antiseptiskt, dvs. bakteriedödande. Jodlösningar används för att tvätta sår. Förr använde man det ofta på människor, men nu är det vanligast i samband med djurhållning. Det finns att köpa på apoteket som 1 %-ig lösning under namnet Jodopax. Då använder man en lösning av jod och kaliumjodid i vatten. Jodid reagerar med joden till trijodid, som har mycket högre löslighet i vatten än ren jod. På så vis får man en mer koncentrerad och effektiv bakteriedödande lösning.

Det vanligaste saltet av jod är kaliumjodid med formeln KI (eller K+I). I den desinficerande jodspriten har man blandat jod och kaliumjodid för att bilda trijodid:
I2 + K+I ⇄ K+I3

Jod i ögat är däremot allvarligt och kan skada hornhinnan och till och med orsaka blindhet. Skölj genast ögat i rinnande vatten och tag kontakt med läkare. Inandning av jodgas är inte heller bra.

Löslighet i vatten och organiska lösningsmedel

Lösligheten av I2 i vatten är dålig, men på grund av sin starka färg kan man ändå se en svag brunfärgning i vattnet av löst jod. Lösligheten i organiska lösningsmedel är mycket större och jod antar där en intensivt violett färg.

Man kan enkelt demonstrera löslighetsfördelningen genom att till en vattenlösning av jod tillsätta en liten mängd bensin eller annat organiskt lösningsmedel. Praktiskt taget all jod kommer då att samla sig det organiska lösningsmedlet, vilket syns tydligt på färgen.

Jod löser sig i kroppsfett

Om man får jod (grundämnet, I2) på huden blir huden brunfärgad och fläckarna går inte att ta bort. Joden löser sig lätt i hudens fett, men med tiden försvinner fläcken av sig själv. Mindre fläckar är inte hälsofarliga, men man bör undvika kontakt med jod så långt som möjligt. Joden kan irritera huden.

Framkalla fingeravtryck

Genom att jod både är kraftigt färgad och har hög löslighet i fett, så kan jod användas för att framkalla fingeravtryck. Det räcker med att trycka fingret mot ett skrivpapper för att få ett avtryck i fett som går att framkalla. Framkallningen görs genom att hålla papperet över lite jod som får förånga till gas. Fingeravtrycket blir genast synligt när det brunfärgas av joden som löser sig i fettet.

Undvik att jodångor sprid så att man riskerar att andas in dem. Tänk också på att det väldigt lätt blir smutsigt av jod som kondenserar på kalla ytor. En bra idé är att värma joden i en liten bägare där man också lägger papperet med fingeravtrycket. Lägg ett lock på bägaren när du värmer försiktigt. Det räcker med en enda jodkristall och ganska svag värme.

Jodtillsats i koksaltet förhindrar struma

Man måste skilja på grundämnet jod (I2) och jod i form av joner, t.ex. i saltet kaliumjodid (K+I). Jodidjonerna är inte alls farliga, utan är tvärtom något som vi behöver i kroppen, om än i liten mängd.

Jodbrist (egentligen jodidbrist) är vanlig i delar av värden. Det yttrar sig som struma och kretinism. Struma är när sköldkörteln blir förstorad och man kan få svårt att svälja, heshet och andra obehag. Kretinism är en form av utvecklingsstörning. För att motverka jodbrist säljer man jodberikat koksalt.

Det livsviktiga grundämnet jod finns i två hormoner; tyroxin och trijodtyronin. Hormonerna reglerar ämnesomsättningen och sköter kroppens tillväxt och utveckling. De bildas i sköldkörteln och brist i barndomen leder till att den mentala och fysiska tillväxten hämmas och kan resultera i dvärgväxt. Brist på jod senare i livet kan orsaka struma och därför bestämdes på 1920-talet att hushållssaltet skulle berikas med jod. Rekommenderat intag för vuxna är 150 mikrogram per dag.

Den jod som tillsätts koksaltet i Sverige är i form av kaliumjodid, KI, ett vitt salt som till utseendet liknar koksalt. Kaliumjodid avdunstar inte, men jod i molekylform, I2 sublimerar, dvs. avdunstar. Om koksalt får stå öppet, särskilt om det blir något fuktigt, så kan jodiden oxideras till jod. Den bildade joden kan då avdunsta. Koksalt som förvaras fel kan alltså förlora innehållet av jod.

I en del länder är jodinnehållet i salt av vissa varumärken mycket lågt. Det kan leda till hälsoproblem. Unicef har därför ett program för att upplysa befolkningen om behovet av jod och hur man kan agera för att få sitt jodbehov täckt. Eleverna i skolorna får lära sig att testa om det koksalt man använder innehåller jod. Sedan informerar eleverna sina föräldrar om detta så att man fortsättningsvis väljer att köpa salt som man vet innehåller jod.

Radioaktiv jod

123I är en radioaktiv isotop av jod som används inom den medicinska diagnostiken. Radioaktiv jod som intas ansamlas i sköldkörteln. Den gammastrålning som utsänds registreras och man får en bild av organet. Stråldoserna som används är så låga att de inte är farliga för patienten.

Vid radioaktiva utsläpp kan ibland jodisotopen jod-131 (131I) spridas. Den tas upp av kroppen och ger strålskador. För att hindra jod-131 att tas upp kan man mätta kroppen med den vanliga icke radioaktiva jodisotopen. Därför delar man ut jodtabletter till människor i riskområden. Flera isotoper bildas vid atomkärnklyvning, men det är endast 131I som har en sådan halveringstid (8 dygn) att den får större betydelse. Denna isotop spreds över stora områden vid kärnkraftsolyckan i Tjernobyl 1986.

Jod bryter ned ozonskiktet

Klorerade kolväten är ett miljöproblem eftersom de bidrar till att det livsviktiga skyddet av ozon på hög höjd bryts ned. Nu har man funnit att även jod bidrar till denna nedbrytning. Det har visat sig att jodmolekyler kan följa med enorma åskmoln som snabbt stiger uppåt mot stratosfären.


Jod är en halogen

Jod är en halogen, nära besläktad med klor och brom i grupp 7 i periodiska systemet. Jod är därför ett starkt oxidationsmedel. Jod verkar korroderande på metaller. Fläckar av jod på kläderna kan tas bort med hjälp av ett reducerande medel, t.ex. natriumtiosulfat.

Som alla grundämnena i grupp 7 tar jod lätt upp elektroner och bildar envärda joner:
I2 + 2 e → 2 I

Jod är en halogen, nära besläktad med klor och brom i grupp 7 i periodiska systemet. Halogener kallas de grundämnen som finns i grupp 7, näst längst till höger i periodiska systemet. Fluor, klor, brom och jod har 7 elektroner i sitt yttersta skal och är starka oxidationsmedel. De här grundämnena tar gärna upp en åttonde elektron och bildar envärda, negativa joner.

De har en stark, genomträngande lukt, är giftiga och frätande. Halogenernas reaktivitet avtar nedåt i gruppen, den är störst för fluor och minst för jod.

Mer fakta på avancerad nivå om jod kommer.

Redoxreaktion

Redoxreaktioner kan delas upp i delreaktionerna oxidation och reduktion.

Oxidation

Med oxidation menar man reaktioner där elektroner avges. Vid en oxidationsreaktion avges energi i de flesta fallen. Flera metaller kan reagera vid rumstemperatur med luftens syre till oxider. Exempel på detta är järn som oxideras av luftens syre och bildar då rost. Oxidationssteget är
Fe → Fe2+ + 2 e

Reduktion

Motsatsen till oxidation är reduktion. Reduktion innebär att elektroner tas upp. Exempel på en reduktion är när syreatomerna tar upp de elektroner som järnet avger när det rostar. Syreatomerna bildar negativa joner. Man säger då att syret har reducerats

O + 2e → O2–

Reduktion och oxidation sker samtidigt

Elektroner kan inte förkomma fria, de kan bara överföras från ett ämne till ett annat. När en reduktion sker, sker samtidigt en oxidation eftersom lika stort antal elektroner avges och tas upp. Vi kallar detta redoxreaktion. I exemplet med oxidation av järn och reduktion av syre balanseras de två delreaktionerna så att lika måna elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe2+ + O2–

Om vi tar hänsyn till att syrgas förekommer som molekyler och att järnjonerna och syrejonerna bildar föreningen FeO och dessutom anger aggregationsformen, så kan vi snygga till reaktionsformeln för totalreaktionen till

2 Fe(s) + O2(g) → 2 FeO(s)


Redoxreaktion vid kontakt mellan ämnena

Kontakt mellan reaktanterna

I en vanlig redoxreaktion sker elektronövergången i kontakt mellan ämnena som reagerar. Elektronen hoppar över direkt från molekylen (eller atomen) som oxideras till molekylen (eller atomen) som reduceras. Elektronhoppet kan bara ske över mycket korta avstånd och sker därför i samband med att partiklarna kolliderar. Därför sker oxidationen och reduktionen på samma plats.

Elektroner förekommer inte fria i ämnen

Anledningen till att elektronöverföringen sker i direktkontakt mellan ämnena är att elektroner inte kan förekomma fria i ett material eller en lösning. De binder alltid till de atomer eller molekyler som finns i närheten. I icke-metalliska material är elektronens position vanligen fixerad till en bestämd molekyl eller atom.

Däremot är elektronerna fritt rörliga i metalliska material. De kan dock inte lämna metallen, bara röra sig inom metallen. När elektronerna rör sig förbi atomerna i metallgittret handlar det inte om elektronöverföring. I stället har metallen ett enda stort elektronmoln av ledningselektroner som är gemensamma för hela metallkristallen.

Det finns också halvledande material som med viss ledningsförmåga, men där elektronerna i huvudsak är fixerade i vissa positioner.