Jod wurde 1811 vom französischen Chemiker Bernard Courtois (1777-1838) in der Asche von Meeresalgen (Seetang) entdeckt, die zur Herstellung von Salpeter verwendet wurden. Courtois arbeitete in der familieneigenen Salpeterfabrik in Paris während der Napoleonischen Kriege, einer Zeit, in der Salpeter für die Herstellung von Schießpulver entscheidend war.
Bei der Behandlung der Algenasche mit konzentrierter Schwefelsäure beobachtete Courtois die Freisetzung spektakulärer violetter Dämpfe, die sich zu grauschwarzen metallischen Kristallen mit violettem Schimmer verdichteten. Diese zufällige Entdeckung offenbarte ein neues chemisches Element mit bemerkenswerten Eigenschaften. Courtois, der sich der Bedeutung seiner Entdeckung bewusst war, aber nicht über die Mittel verfügte, sie vollständig zu untersuchen, teilte Proben mit anderen Chemikern.
Die Eigenschaften dieses neuen Elements wurden von Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) und Humphry Davy (1778-1829) in den Jahren 1813-1814 untersucht. Gay-Lussac schlug den Namen Iode vor, abgeleitet vom griechischen iodes (ἰοειδής), was "veilchenfarben" oder "veilchenartig" bedeutet, in Anspielung auf die charakteristische Farbe der Dämpfe. Das chemische Symbol I wurde sofort übernommen.
Die medizinische Bedeutung von Jod wurde im 19. Jahrhundert schrittweise erkannt. 1820 entdeckte der Schweizer Arzt Jean-François Coindet (1774-1834), dass Jod Kropf, eine in jodarmen Bergregionen endemische Krankheit, behandeln kann. Diese Entdeckung etablierte Jod als das erste Spurenelement, das als essentiell für die menschliche Gesundheit anerkannt wurde.
Hinweis:
Jod ist in der Erdkruste in einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 0,45 ppm vorhanden, was es relativ selten macht, etwa 60-mal weniger häufig als Chlor. Allerdings reichert sich Jod stark in den Ozeanen an, wo seine Konzentration etwa 0,06 mg/L erreicht, und es wird massiv in Meeresalgen konzentriert, die bis zu 0,5 % ihres Trockengewichts an Jod enthalten können.
Die wichtigsten Jodmineralien sind selten. Jod wird hauptsächlich aus Solevorkommen von Nitratlagerstätten in Chile (Caliche) und Japan oder aus Sole bei der Erdöl- und Erdgasförderung gewonnen. Meeresalgen (Laminaria, Fucus) bleiben in einigen Regionen eine traditionelle Jodquelle. Natriumiodid und Iodat sind die wichtigsten Handelsverbindungen.
Die weltweite Jodproduktion beträgt etwa 30.000 bis 35.000 Tonnen pro Jahr. Chile dominiert die Weltproduktion mit etwa 55-60 % des Gesamtvolumens, gefolgt von Japan (25-30 %), den USA und Turkmenistan. Diese geografische Konzentration macht Jod zu einem strategisch wichtigen Material, insbesondere für essentielle medizinische Anwendungen.
Jod wird von mehreren Ländern als kritisches Element angesehen, da es für die öffentliche Gesundheit und medizinische Anwendungen unverzichtbar ist. Das Recycling von Jod ist begrenzt und macht weniger als 5 % des Angebots aus, obwohl das Recycling aus gebrauchten fotografischen Lösungen historisch bedeutsam war, bevor die digitale Fotografie aufkam.
Jod (Symbol I, Ordnungszahl 53) ist ein Halogen der Gruppe 17 des Periodensystems, zusammen mit Fluor, Chlor, Brom und Astat. Sein Atom besitzt 53 Protonen, in der Regel 74 Neutronen (für das stabile Isotop \(\,^{127}\mathrm{I}\)) und 53 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁵.
Jod ist ein grauschwarzer bis blauschwarzer kristalliner Feststoff mit ausgeprägtem metallischem Glanz und einer schichtartigen Struktur. Es hat eine Dichte von 4,93 g/cm³, was es mäßig dicht macht. Jod kristallisiert in einer orthorhombischen Struktur und bildet zweiatomige Moleküle I₂, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Jodkristalle sind spröde und brechen leicht in glänzende Flocken.
Jod schmilzt bei 113,7 °C (386,85 K) und siedet bei 184,3 °C (457,4 K). Die spektakulärste Eigenschaft von Jod ist seine Fähigkeit, bei Raumtemperatur leicht zu sublimieren, d. h. direkt vom festen in den gasförmigen Zustand überzugehen, ohne zu schmelzen. Diese Sublimation erzeugt charakteristische intensive violette Dämpfe mit einem stechenden und reizenden Geruch.
Festes Jod hat einen glänzenden metallischen Glanz, ist aber ein Nichtmetall und ein schlechter elektrischer Leiter im festen Zustand. Unter hohem Druck (über 16 GPa) wird Jod metallisch und leitfähig. Gasförmiges Jod absorbiert sichtbares Licht stark und verleiht ihm seine intensive violette Farbe. Jod ist in reinem Wasser kaum löslich (0,03 g/100 mL bei 20 °C), aber sehr löslich in Ethanol und in Iodidlösungen, wo es das Triiodid-Ion I₃⁻ bildet.
Schmelzpunkt von Jod: 386,85 K (113,7 °C).
Siedepunkt von Jod: 457,4 K (184,3 °C).
Jod sublimiert leicht bei Raumtemperatur und erzeugt spektakuläre violette Dämpfe.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Jod-123 — \(\,^{123}\mathrm{I}\,\) | 53 | 70 | 122,905589 u | Synthetisch | ≈ 13,2 Stunden | Radioaktiv (EC). Wird in der medizinischen SPECT-Bildgebung der Schilddrüse verwendet. |
| Jod-125 — \(\,^{125}\mathrm{I}\,\) | 53 | 72 | 124,904624 u | Synthetisch | ≈ 59,4 Tage | Radioaktiv (EC). Wird in der Strahlentherapie und als Tracer in der Molekularbiologie verwendet. |
| Jod-127 — \(\,^{127}\mathrm{I}\,\) | 53 | 74 | 126,904473 u | ≈ 100 % | Stabil | Einziges stabiles Jod-Isotop, das das gesamte natürliche Jod ausmacht. |
| Jod-129 — \(\,^{129}\mathrm{I}\,\) | 53 | 76 | 128,904988 u | Spuren (Spaltprodukt) | ≈ 15,7 Millionen Jahre | Radioaktiv (β⁻). Langlebiges Spaltprodukt, Umwelttracer. |
| Jod-131 — \(\,^{131}\mathrm{I}\,\) | 53 | 78 | 130,906125 u | Synthetisch | ≈ 8,02 Tage | Radioaktiv (β⁻). Wichtiges Spaltprodukt, wird in der nuklearmedizinischen Schilddrüsenbehandlung verwendet. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Jod hat 53 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration ist: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁵, oder vereinfacht: [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁵. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(18) O(7) geschrieben werden.
K-Schale (n=1): Enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): Enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): Enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): Enthält 18 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Die vollständige 4d-Unterschale ist besonders stabil.
O-Schale (n=5): Enthält 7 Elektronen, verteilt als 5s² 5p⁵. Diese sieben Elektronen sind die Valenzelektronen von Jod.
Jod hat 7 Valenzelektronen: zwei 5s²-Elektronen und fünf 5p⁵-Elektronen, denen nur ein Elektron fehlt, um die stabile Edelgaskonfiguration von Xenon zu erreichen. Die wichtigsten Oxidationszustände sind -1, +1, +3, +5 und +7. Der Zustand -1 ist der häufigste und bildet das Iodid-Ion I⁻ in Salzen wie Kaliumiodid (KI) und Natriumiodid (NaI).
Der Zustand +1 tritt in Verbindungen wie Iodmonochlorid (ICl) auf. Der Zustand +3 existiert in Iodtrichlorid (ICl₃). Der Zustand +5 ist in Iodsäure (HIO₃) und Iodaten wie Kaliumiodat (KIO₃) vorhanden. Der Zustand +7, der am stärksten oxidiert ist, kommt in Periodsäure (HIO₄ oder H₅IO₆) und Periodaten vor, wo Jod alle seine Valenzelektronen verwendet. Molekulares Iod I₂ entspricht dem Oxidationszustand 0.
Jod ist das am wenigsten reaktive der stabilen Halogene (nach Fluor, Chlor und Brom), bleibt aber dennoch ein bedeutendes Oxidationsmittel. Bei Raumtemperatur reagiert Jod langsam mit vielen Metallen unter Bildung von Iodiden. Mit Alkalimetallen kann die Reaktion heftig sein: 2Na + I₂ → 2NaI. Natrium und Kalium reagieren heftig mit Jod und erzeugen Flammen und Rauch.
Jod reagiert nicht direkt mit Sauerstoff, aber Jodoxide (I₂O₅, I₂O₄, I₄O₉) können indirekt synthetisiert werden. Mit Wasserstoff bildet Jod Iodwasserstoff (HI) in einer reversiblen und unvollständigen Reaktion: H₂ + I₂ ⇌ 2HI. Diese Gleichgewichtsreaktion ist ein Klassiker der chemischen Thermodynamik.
Jod reagiert mit reaktiveren Halogenen unter Bildung von Interhalogenverbindungen wie ICl, IBr und IF₅. Mit Chlor bildet die Reaktion Iodchloride: I₂ + Cl₂ → 2ICl oder I₂ + 3Cl₂ → 2ICl₃. Jod löst sich in Iodidlösungen unter Bildung des braunen Triiodid-Ions: I₂ + I⁻ → I₃⁻, was seine Wasserlöslichkeit considerably erhöht.
Die charakteristische Reaktion zum Nachweis von Jod verwendet Stärke, die mit molekularem Jod einen intensiven blau-violetten Komplex bildet und so winzige Spuren von Jod (Empfindlichkeit im Mikrogramm-Bereich) nachweisen kann. Diese Reaktion wird in der analytischen Chemie und in der iodometrischen Titration verwendet.
Die wichtigste Anwendung von Jod ist seine absolut essentielle Rolle für die menschliche Gesundheit, insbesondere für die Schilddrüsenfunktion. Jod ist der grundlegende Bestandteil der Schilddrüsenhormone Thyroxin (T4) und Triiodthyronin (T3), die den Stoffwechsel, das Wachstum, die neurologische Entwicklung und viele andere essentielle physiologische Funktionen regulieren.
Jodmangel ist die weltweit führende vermeidbare Ursache für geistige Behinderung und Entwicklungsstörungen des Gehirns bei Kindern. Jodmangelstörungen betreffen etwa 2 Milliarden Menschen weltweit, insbesondere in bergigen und kontinentalen Regionen, die weit vom Meer entfernt sind. Die Manifestationen umfassen Kropf (Schilddrüsenvergrößerung), Hypothyreose, Kretinismus und kognitive Defizite.
Die universelle Jodierung von Speisesalz, empfohlen von der Weltgesundheitsorganisation (WHO), ist einer der effektivsten und kostengünstigsten Eingriffe im Bereich der öffentlichen Gesundheit, die jemals umgesetzt wurden. Die Zugabe von 15-40 mg Jod pro Kilogramm Salz (in Form von Kaliumiodat oder -iodid) reicht aus, um Mangelstörungen zu verhindern. Diese Strategie hat Mangelstörungen in vielen entwickelten Ländern beseitigt.
Ein Erwachsener benötigt etwa 150 Mikrogramm Jod pro Tag, schwangere und stillende Frauen 220-290 Mikrogramm. Natürliche Nahrungsquellen umfassen Meeresfrüchte (Fisch, Schalentiere, Algen), Milchprodukte und Eier. Eine einzige getrocknete Kombu-Alge kann mehrere Milligramm Jod enthalten, was den täglichen Bedarf bei Weitem übersteigt.
Radioaktives Jod, insbesondere das Isotop ¹³¹I, spielt eine wichtige Rolle in der Nuklearmedizin. Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen und emittiert Beta- und Gammastrahlung, was sowohl therapeutische Behandlungen als auch diagnostische Bildgebung ermöglicht. Die Schilddrüse nimmt Jod selektiv auf und konzentriert das verabreichte radioaktive Jod auf natürliche Weise.
Die Behandlung mit radioaktivem Jod ist die Standardtherapie für Hyperthyreose (Morbus Basedow, toxische Knoten) und differenzierten Schilddrüsenkrebs. Eine einzige orale Dosis von Jod-131 zerstört selektiv hyperaktive oder krebsartige Schilddrüsenzellen durch interne Bestrahlung und schont das umliegende Gewebe. Bei Schilddrüsenkrebs wird nach der chirurgischen Thyreoidektomie radioaktives Jod eingesetzt, um verbliebene Krebszellen und Metastasen zu beseitigen.
Jod-123, mit einer kürzeren Halbwertszeit von 13 Stunden und nur Gammastrahlung emittierend, wird für diagnostische Szintigraphie-Bilder der Schilddrüse ohne signifikante therapeutische Wirkung verwendet. Jod-125 wird in der Brachytherapie zur Behandlung lokalisierter Tumore, insbesondere Prostatakrebs und okuläre Melanome, sowie als Tracer in der biologischen Forschung eingesetzt.
Jod ist ein starkes Breitband-Antiseptikum und Desinfektionsmittel, das gegen Bakterien, Viren, Pilze, Protozoen und Sporen wirkt. Seine bakterizide Wirkung beruht auf der Oxidation und Iodierung mikrobieller Zellbestandteile, insbesondere Proteine und Nukleinsäuren, was zum schnellen Zelltod führt.
Jodtinktur (alkoholische Lösung von Jod und Kaliumiodid) war über ein Jahrhundert lang das Standard-Antiseptikum in der Chirurgie. Povidon-Iod (Betaisodona), ein Komplex aus Jod mit Polyvinylpyrrolidon, ist zum modernen Referenz-Antiseptikum geworden. Es setzt das aktive Jod allmählich frei, reduziert die Reizung und hält die antimikrobielle Wirksamkeit über einen längeren Zeitraum aufrecht.
10%ige Povidon-Iod-Lösungen enthalten 1 % verfügbares Jod und werden zur präoperativen Hautdesinfektion, Wundbehandlung und als antiseptische Mundspülung verwendet. Jodtabletten werden zur Notfall-Desinfektion von Trinkwasser in Überlebenssituationen, Naturkatastrophen oder Reisen in Entwicklungsländer eingesetzt.
Jod hat eine relativ geringe Toxizität in ernährungsphysiologischen Dosen, kann aber in hohen Dosen toxisch werden. Eine akute Jodvergiftung (Einnahme von mehreren Gramm) verursacht starke Bauchschmerzen, Erbrechen, Durchfall, Verbrennungen im Mund und Rachen und potenziell einen kardiovaskulären Schock. Das klassische Gegenmittel ist Stärke, die Jod komplexiert und dessen Aufnahme reduziert.
Eine chronische übermäßige Jodexposition kann paradoxerweise zu einer Schilddrüsenfehlfunktion führen, entweder Hypothyreose (Wolff-Chaikoff-Effekt) oder Hyperthyreose (Jod-Basedow-Phänomen), insbesondere bei Personen mit einer bereits bestehenden abnormalen Schilddrüsenfunktion. Die tolerierbare Obergrenze liegt bei 1100 Mikrogramm pro Tag für Erwachsene.
Joddämpfe sind stark reizend für die Augen, die Atemwegsschleimhäute und die Lunge. Berufliche Exposition in der chemischen Industrie erfordert angemessene Belüftung und Schutzausrüstung. Elementares Jod färbt Haut und Gewebe intensiv braun-gelb, aber diese Flecken sind temporär und verblassen allmählich.
Radioaktives Jod, insbesondere ¹³¹I, ist eines der Hauptrisiken bei nuklearen Unfällen. Bei den Katastrophen von Tschernobyl (1986) und Fukushima (2011) führten massive Freisetzungen von Jod-131 zu einem signifikanten Anstieg von Schilddrüsenkrebs, insbesondere bei Kindern. Die präventive Verteilung von Kaliumiodid-Tabletten sättigt die Schilddrüse mit stabilem Jod, blockiert die Aufnahme von radioaktivem Jod und verringert das Risiko von Schilddrüsenkrebs.
Jod wird in Sternen hauptsächlich durch den r-Prozess (schnelle Neutroneneinfang) während des Kollapses von Supernovae und der Verschmelzung von Neutronensternen (Kilonova) synthetisiert. Der s-Prozess (langsamer Neutroneneinfang) in AGB-Sternen trägt nur minimal zur Jodproduktion bei. Das stabile Isotop ¹²⁷I stammt hauptsächlich aus dem r-Prozess.
Die kosmische Häufigkeit von Jod ist extrem niedrig, etwa 9×10⁻¹¹ mal so hoch wie die von Wasserstoff, gemessen an der Anzahl der Atome, was es zu einem der seltensten Elemente im Universum macht. Diese Seltenheit erklärt sich durch die ungerade Anzahl von Protonen (53) von Jod, die es weniger stabil macht als Elemente mit einer geraden Anzahl von Protonen, und durch seine begrenzte Produktion in seltenen explosiven Ereignissen.
Das radioaktive Isotop ¹²⁹I mit einer Halbwertszeit von 15,7 Millionen Jahren wird durch den r-Prozess und durch spontane Spaltung von Uran-238 produziert. Das Vorhandensein von ¹²⁹I in primitiven Meteoriten deutet darauf hin, dass dieses Isotop im frühen Sonnensystem vorhanden war und liefert Hinweise auf den Zeitraum zwischen der letzten stellaren Nukleosynthese und der Bildung des Sonnensystems, der auf einige zehn Millionen Jahre geschätzt wird. Das Verhältnis ¹²⁹I/¹²⁷I in Meteoriten wird als radioaktive Uhr verwendet, um Ereignisse im frühen Sonnensystem zu datieren.
Die Spektrallinien von neutralem Jod (I I) und ionisiertem Jod (I II) werden selten in Sternspektren beobachtet, aufgrund der sehr geringen kosmischen Häufigkeit dieses Elements und seines relativ hohen ersten Ionisierungspotenzials. Dennoch wurden Spuren von Jod in einigen chemisch ungewöhnlichen Sternen nachgewiesen, die mit r-Prozess-Elementen angereichert sind, was die Modelle der explosiven Nukleosynthese bestätigt. Die Beobachtung von Jod in den Spektren von Kilonovae (Verschmelzung von Neutronensternen) bestätigt, dass diese kataklysmischen Ereignisse die Hauptproduktionsstätten für schwere r-Prozess-Elemente, einschließlich Jod, sind.
Die weltweite Jodproduktion ist geografisch konzentriert, wobei Chile und Japan zusammen etwa 80-85 % der Gesamtproduktion ausmachen. Chile gewinnt Jod hauptsächlich aus Caliche-Solen (natürliches Nitrat) in der Atacama-Wüste, der jodreichsten Region der Welt. Diese Ablagerungen entstanden durch die Verdunstung von altem, durch Algen mit Jod angereichertem Meerwasser.
Japan gewinnt Jod aus Solen der Erdgasförderung, insbesondere in der Region Chiba. Diese unterirdischen Solen enthalten hohe Jodkonzentrationen (50-150 mg/L) aufgrund der Auflösung alter mariner organischer Substanz. Die USA und Turkmenistan produzieren ebenfalls Jod aus Erdölsolen.
Der Extraktionsprozess umfasst in der Regel die Oxidation von Iodid (I⁻) zu molekularem Jod (I₂) mit Chlorgas oder anderen Oxidationsmitteln, gefolgt von der Reinigung durch Sublimation. Das produzierte Jod hat typischerweise eine Reinheit von über 99,5 %. Die weltweite Nachfrage nach Jod wächst jährlich um etwa 3-5 %, angetrieben hauptsächlich durch Anwendungen im öffentlichen Gesundheitswesen, medizinische Kontrastmittel und industrielle Verwendungen.
Das Recycling von Jod aus industriellen und pharmazeutischen Quellen bleibt begrenzt, nimmt aber zu. Historisch bedeutend war das aus fotografischen Lösungen zurückgewonnene Jod, aber diese Quelle ist mit dem Rückgang der Silberfotografie weitgehend verschwunden. Bedenken hinsichtlich der langfristigen Versorgungssicherheit haben einige Länder veranlasst, strategische Jodreserven aufzubauen, um den öffentlichen Gesundheitsbedarf zu sichern.
Jod durchläuft einen komplexen biogeochemischen Kreislauf zwischen den Ozeanen, der Atmosphäre, den Böden und lebenden Organismen. Die Ozeane sind das Hauptreservoir für Jod auf der Erde und enthalten etwa 60 Milliarden Tonnen gelöstes Jod. Meeresalgen konzentrieren Jod massiv und erreichen Konzentrationsfaktoren von 10.000 bis 30.000 im Vergleich zu Meerwasser.
Laminaria-Algen setzen flüchtige organische Jodverbindungen wie Iodmethan (CH₃I) und Diiodmethan (CH₂I₂) in die Atmosphäre frei und tragen so significantly zum Transport von Jod zu den Kontinenten bei. Diese biogenen Emissionen machen etwa 1-2 Millionen Tonnen Jod pro Jahr in Form von flüchtigen organischen Verbindungen aus. Diese Verbindungen sind auch an der atmosphärischen Chemie beteiligt und beeinflussen die Bildung von Aerosolen und Wolken.
Auf den Kontinenten ist Jod in Böden allgemein mangelhaft, insbesondere in bergigen, vergletscherten und kontinentalen Regionen, die weit vom Meer entfernt sind, wo atmosphärische Ablagerungen gering sind. Die Auswaschung durch Niederschläge verarmt die Böden allmählich an Jod. Küstennahen Gebieten erhalten größere atmosphärische Jodzufuhren aus dem Meer, was Mangelerscheinungen reduziert.
Pflanzen nehmen Jod aus dem Boden hauptsächlich in Form von Iodat (IO₃⁻) und Iodid (I⁻) auf, aber die Konzentrationen sind allgemein niedrig und reichen nicht aus, um den menschlichen Bedarf zu decken, außer in Küstennähe oder bei Meeresprodukten. Dieser natürliche Jodmangel in vielen terrestrischen Ökosystemen erklärt die Bedeutung der Lebensmittelanreicherung und der Jodierung von Salz.
