Iod

Iod in der Chemie

Eine kurze Definition für Iod kann so formuliert werden:

Elementares Iod begegnet uns auf vielen wichtigen Gebieten. Schauen wir uns zunächst an, wie es geschrieben wird: In der Fachsprache wird Iod geschrieben, also mit I. Umgangssprachlich wird im Deutschen hingegen für gewöhnlich Jod mit J geschrieben. Wir wollen uns nun über seine Eigenschaften, wichtige Verbindungen und Verwendungen einen Überblick verschaffen.

Entdeckung und Vorkommen von Iod

Indirekt entdeckten die Chinesen bereits vor etwa $2500$ Jahren Iod über seine Wirkung bei der Behandlung des Kropfes. Das ist eine Krankheit, die eine vergrößerte Schilddrüse mit sich bringt. Um das zu lindern, verabreichten sie Meeresalgen, die naturgemäß viel Iod enthalten. Der Franzose Bernard Courtois entdeckte und beschrieb im Jahr $1811$ erstmals das elementare Iod. Als er Asche aus verbrannten Meeresalgen mit konzentrierter Schwefelsäure versetzte, stiegen violette Dämpfe auf, welche für elementares Iod charakteristisch sind. Diese Reaktion kann auch als Iod‑Nachweis dienen.

Iod zählt zu den seltenen Elementen und die Iod‑Vorkommen sind weit auf der Erde verstreut. Dazu sind hier ein paar wichtige Punkte aufgeführt:

• Der Anteil von Iod an allen Elementen in der Erdhülle beträgt nur ca. $10^{-5}\,\%$.
• Meerwasser enthält ca. $\pu{20-30 mg}$ Iod pro Tonne $\left( \pu{t} \right)$.
• Der Iodanteil in der Trockenmasse von Meerespflanzen, z. B. von Meeresalgen, ist dagegen mit $\pu{5-20 kg}$ pro $\pu{t}$ deutlich höher.
• Iod findet man auch in Lebensmitteln wie Fisch und Meeresfrüchten.
• Das Iod im Meer ist flüchtig, daher enthält die Meeresluft gasförmiges Iod, das der Mensch über die Luft aufnehmen kann.
• Trockener Landboden enthält ca. $\pu{25 g}$ Iod pro $\pu{t}$.
• Salpetervorkommen bzw. -lagerstätten enthalten einen Iod-Anteil von $\pu{0,2-10 \frac{kg}{t}}$ als Beimengung in Form von Natriumiodat $\left( \ce{NaIO3} \right)$, Natriumperiodat $\left( \ce{NaIO4} \right)$ und Calciumiodat $\left( \ce{Ca(IO3)2} \right)$.
• Der englische Kurort Woodhall Spa besitzt eine Quelle, deren Wasser gut $100$-mal so viel Iod enthält wie Meerwasser.

In der folgenden Abbildung ist zu sehen, wie Iod im festen Zustand aussieht. Es ist ein dunkelgrau glänzender, kristalliner Feststoff.

Die Stellung von Iod im Periodensystem

Iod steht im Periodensystem der chemischen Elemente in der $\text{VII.}$ Hauptgruppe, der Gruppe der Halogene – und dort in der 5. Periode (unter Brom). Es zählt zu den Nichtmetallen. Als Element der $\text{VII.}$ Hauptgruppe hat Iod, bzw. haben Iodatome, sieben Valenzelektronen, darunter ein ungepaartes Elektron. Das sieht in der Lewis-Schreibweise so aus: $\overline {\underline {|\ce{I}}}$$\cdot$
In chemischen Reaktionen mit anderen Elementen kann es ein Elektron aufnehmen oder bis zu sieben Elektronen abgeben. Seine möglichen Oxidationszahlen sind $\text{-I}$, $\text{+I}$, $\text{+III}$, $\text{+V}$ und $\text{+VII}$, wobei die Oxidationszahl $\text{-I}$ am häufigsten auftritt.

Iod – Eigenschaften

Im folgenden Steckbrief sind einige wichige Eigenschaften des Elements Iod zusammengefasst:

Iod liegt in der Natur nicht atomar, sondern als zweiatomiges Molekül $\left( \ce{I2} \right)$ mit der Strukturformel $\overline {\underline {|\ce{I}}}~–~\overline {\underline {\ce{I}|}}$ vor. Es gibt viele Möglichkeiten, Iod unter Spaltung des Moleküls zu anderen Iodverbindungen reagieren zu lassen.

Sublimation von Iod
Eine Besonderheit von Iod ist, dass es bereits bei Raumtemperatur unter Bildung violetter Dämpfe sublimiert. Bei der Sublimation geht ein Stoff direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand über. In einem Phasendiagramm lassen sich solche ungewöhnlichen Übergänge darstellen. Die Sublimationskurve beschreibt dabei den direkten Übergang von der festen in die gasförmige Phase. Bei Iod liegt dieser Übergang bei niedrigeren Temperaturen und Drücken als die Schmelzkurve. Deshalb sublimiert festes Iod unter Normalbedingungen bevor es schmilzt.

Löslichkeit von Iod
Lediglich $\pu{0,29 g}$ Iod lösen sich in einem Liter $\left( \ell \right)$ Wasser. Die Ursache dafür liegt in der Polarität des Wassers. Iod ist ein sehr unpolares Molekül, Wasser ist hingegen stark polar. Gleiches löst sich in Gleichem, so lautet die Merkregel – demzufolge lösen sich in polaren Lösungsmitteln auch polare Stoffe deutlich besser. Iod löst sich dagegen gut in einer Kaliumiodid‑Lösung, da es mit den Iodid‑Ionen die Polyiodidionen $\ce{I3^-}$ und $\ce{I5^-}$ bildet. Eine solche Iod‑Kaliumiodid‑Lösung heißt auch Lugolsche Lösung.

Gewinnung von Iod

Früher gewann man Iod entweder wie dessen Entdecker Courtois aus der Asche von verbranntem Seetang, unter Zusetzung von Schwefelsäure, oder aus Salpeter.
Heute erhält man Iod bei der Salpetergewinnung, bei der als Nebenprodukt Iodsäure $\left( \ce{HIO3} \right)$ anfällt. In zwei Reaktionsschritten entsteht aus Iodsäure elementare Iod $\left( \ce{I2} \right)$:

• erster Schritt: Reduktion von Iodsäure zu Iodwasserstoff (von Iodat zu Iodid)
  $\ce{HIO3 + 3 H2SO3 -> HI + 3 H2SO4}$

• zweiter Schritt: Komproportionierung von Iodsäure und Iodwasserstoff zu elementarem Iod (von Iodat und Iodid zu Iod)
  $\ce{HIO3 + 5 HI -> 3H2O + 3 I2}$

Beachte: Bei der Komproportionierung wird Iod sowohl oxidiert (von der Oxidationszahl $\text{-I}$ in $\ce{HI}$ zu $0$ in $\ce{I2}$) als auch reduziert (von der Oxidationszahl $\text{+V}$ in $\ce{HIO3}$ zu $0$ in $\ce{I2}$)!

Weitere wichtige Reaktionen mit Iod

Elementares Iod $\left( \ce{I2} \right)$ ist ein wichtiges Oxidationsmittel, das mit vielen Stoffen reagieren kann.

Iod als Oxidationsmittel:

• Iod oxidiert unedle Metalle, beispielsweise Aluminium $\left( \ce{Al} \right)$ zu Aluminiumiodid $\left( \ce{Al2I3} \right)$:
  $\ce{4 Al + 3 I2 -> 2 Al2I3}$

• Mit Kaliumhydroxid $\left( \ce{KOH} \right)$ reagiert Iod zu Kaliumhypoiodid $\left( \ce{KOI} \right)$ und Kaliumiodid $\left( \ce{KI} \right)$:
  $\ce{I2 + 2 KOH -> KOI + KI + H2O}$
  Aus Kaliumhypoiodid lässt sich sehr reaktiver, atomarer Sauerstoff $\left( \ce{O} \right)$ freisetzen:
  $\ce{KOI -> KI + O}$

• Natriumthiosulfat $\left( \ce{Na2S2O3} \right)$ reduziert Iod $\left( \ce{I2} \right)$ zu Iodid, welches weiter zu Natriumiodid $\left( \ce{NaI} \right)$ reagiert, wie folgt:
  $\ce{2 Na2S2O3 + I2 -> 2 NaI + Na2S4O6}$
  Diese Reaktion nutzt man zur Iod‑Entsorgung und zur quantitativen Iodid‑Bestimmung.

Verhalten gegenüber organischen Grundstoffen und anderen Nichtmetallen:

• Iod reagiert unter Normalbedingungen nicht direkt mit höheren Alkanen wie Pentan oder mit Aromaten wie Benzol (Benzen).
• Iod reagiert unter Normalbedingungen auch nicht direkt mit Nichtmetallen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel oder Selen.

Wichtige Iodverbindungen

Iod geht mit vielen anderen Elementen Verbindungen ein und kann dabei verschiedene Oxidationsstufen annehmen.

Iod mit der Oxidationszahl $\text{-I}$

Ein typisches Beispiel ist die Iodwasserstoffsäure $\left( \ce{HI} \right)$. Sie ist eine noch stärkere Säure als Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ und dissoziiert in Wasser wie folgt:
$\ce{HI \xrightarrow{H2O} H^+ + I^-}$
Sie ist allerdings instabiler als $\ce{HCl}$ und zerfällt leicht in die Elemente:
$\ce{2 HI -> I2 + H2}$
Die Salze der Iodwasserstoffsäure sind die Iodide. Einige davon sind dir vielleicht schon bekannt:
Natriumiodid $\left( \ce{NaI} \right)$, Kaliumiodid $\left( \ce{KI} \right)$ oder auch Calciumiodid $\left( \ce{CaI2} \right)$.

Iod mit der Oxidationszahl $\text{+V}$

Iod hat beispielsweise in der Iodsäure $\left( \ce{HIO3} \right)$ die Oxidationszahl $\text{+V}$. Die Salze der Iodsäure sind die Iodate, beispielsweise Kaliumiodat $\left( \ce{KIO3} \right)$.

Iod mit der Oxidationszahl $\text{+VII}$

Iod hat beispielsweise in der Periodsäure $\left( \ce{HIO4} \right)$ die Oxidationszahl $\text{+VII}$. Die Salze der Periodsäure sind die Periodate, beispielsweise Natriumperiodat $\left( \ce{NaIO4} \right)$.
Ein weiteres Beispiel für eine Verbindung, in der Iod die Oxidationszahl $\text{+VII}$ aufweist, ist das starke Oxidationsmittel Iodheptafluorid $\left( \ce{IF7} \right)$.

Iod in organischen Verbindungen

Auch wenn Iod mit organischen Grundstoffen nicht spontan reagiert, können über Umwege sehr wohl organische Iodverbindungen hergestellt werden. Ein Beispiel dafür ist Iodbenzol $\left( \ce{C6H5I} \right)$, das aber nach längerem Stehenbleiben wieder elementares Iod $\left( \ce{I2} \right)$ abscheidet. Ein weiteres Beispiel ist Iodoform, eigentlich Triiodmethan $\left( \ce{CHI3} \right)$. Dieser Stoff wird noch in der Zahnmedizin eingesetzt.

Die Iod-Stärke-Reaktion

Zum Nachweis von Stärke dient die Iodprobe. Dabei wird eine Iod‑Tinktur oder eine Lösung aus Iod und Kaliumiodid zu einer (mutmaßlich stärkehaltigen) Probe gegeben. Dabei bildet sich im positiven Fall ein Iod‑Stärke‑Komplex, der eine dunkle, tiefblaue Färbung zeigt. Die Ursache dafür liegt in der Bildung einer Einschlussverbindung von Polyiodidionen in die kettenförmige Helix der Amylose, die ein Grundbaustein von Stärke ist.

Verwendungen von Iod und von Iodverbindungen

Iod und Iodverbindungen können vielseitig verwendet werden:

• Gewinnung chemisch reiner Elemente nach dem Van‑Arkel‑de‑Boer‑Verfahren von 1924:
  Wir verdeutlichen uns die Reaktionsschritte am Beispiel der Gewinnung von reinem Titan $\left( \ce{Ti} \right)$:
  Zuerst wird das entsprechende Iodid gebildet: $\ce{Ti + 2 I2 \xrightarrow{600 °C} TiI4}$
  Darauf folgt der Zerfall des Iodids bei höherer Temperatur: $\ce{TiI4 \xrightarrow{1200 °C} \textbf{Ti} + 2 I2}$
  In ähnlicher Weise können folgende Elemente gewonnen werden:
  Bor $\left( \ce{B} \right)$, Silicium $\left( \ce{Si} \right)$, Chrom $\left( \ce{Cr} \right)$, Tantal $\left( \ce{Ta} \right)$ und Hafnium $\left( \ce{Hf} \right)$.

• Gelöstes Iod und Iodverbindungen wirken in Form von braunen Mundspülungen und Salben medizinisch als wirksames Antiseptikum zur Desinfektion von Wunden.

• Iodmangel kann eine Vergrößerung der Schilddrüse verursachen. Der Körper benötigt Iod für die Schilddrüsenhormone Thyroxin und Triiodthyroxin. Man sollte darauf achten, genügend iodhaltige Lebensmittel zu sich zu nehmen. Besonders viel Iod steckt in Algen, Meeresfrüchten und Fisch. Ist dir aufgefallen, dass außerdem unser Speisesalz oft iodiert ist?

• Technisch nutzt man spezielle Iodverbindungen für die Herstellung von Polarisationsfiltern, die man z. B. in der Fotografie zum Entspiegeln benötigt.

• Mit Silberiodid $\left( \ce{AgI} \right)$ lässt sich sogar das Wetter lokal beeinflussen! Bei drohendem Hagelschlag können Hagelflieger helfen, die in den Wolken Silberiodid versprühen. Man spricht dann vom Impfen der Wolken. So fallen die Hagelkörner in deutlich verkleinerter Form oder es regnet einfach.

Ausblick – das lernst du nach Iod

Es geht weiter: Nach Iod lernst du mehr über Halogenkohlenwasserstoffe. Vergleiche die Eigenschaften von Iod mit anderen Elementen in dieser Gruppe. Beim Nachweis von Chlorid, Bromid und Iodid erhältst du weitere Einblicke in wichtige chemische Prozesse.

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Iod aus dem Video zu testen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Iod