最終更新：2025年12月28日

ヨウ素 (53)：生命に不可欠な紫色のハロゲン

ヨウ素の発見の歴史

ヨウ素は1811年、フランスの化学者ベルナール・クルトワ（1777-1838）によって、硝石の生産に使用される海藻（昆布）の灰から発見されました。クルトワはナポレオン戦争中、硝石が火薬の製造に不可欠な時期に、パリの家族経営の硝石工場で働いていました。

濃硫酸で海藻の灰を処理している際、クルトワは、紫色の蒸気が放出され、それが金属光沢のある灰黒色の結晶に凝縮するのを観察しました。この偶然の発見により、顕著な特性を持つ新しい化学元素が明らかになりました。クルトワはこの発見の重要性を認識していましたが、完全に研究する手段がなかったため、他の化学者とサンプルを共有しました。

この新元素の性質は、1813年から1814年にジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサック（1778-1850）と ハンフリー・デイビー（1778-1829）によって研究されました。ゲイ＝リュサックは、蒸気の特徴的な色にちなんで、ギリシャ語のiodes（ἰοειδής、「紫色」または「スミレ色」を意味する）からiodeという名前を提案しました。化学記号Iはすぐに採用されました。

ヨウ素の医学的重要性は19世紀に徐々に認識されるようになりました。1820年、スイスの医師 ジャン＝フランソワ・コアンド（1774-1834）は、ヨウ素がヨウ素欠乏地域で流行する甲状腺腫（コウ）の治療に使用できることを発見しました。この発見により、ヨウ素は人間の健康に不可欠な最初の微量元素として確立されました。

注：
ヨウ素は地殻中に平均約0.45 ppmの濃度で存在し、塩素の約60分の1の量しかなく、比較的希少です。しかし、ヨウ素は海洋中に強く蓄積し、その濃度は約0.06 mg/Lに達し、海藻中では乾燥重量の0.5％まで濃縮されます。

主なヨウ素鉱石は希少です。ヨウ素は主にチリ（カリチェ）と日本の硝石鉱床のかん水、または石油・ガス採掘のかん水から抽出されます。海藻（昆布、フコイダン）は一部の地域で伝統的なヨウ素源です。ヨウ化ナトリウムとヨウ素酸ナトリウムは主要な商業用化合物です。

世界のヨウ素生産量は年間約30,000から35,000トンです。チリが総生産量の約55-60％を占め、次いで日本（25-30％）、米国、トルクメニスタンが続きます。この地理的集中により、ヨウ素は特に医療応用において戦略的に重要な物質となっています。

ヨウ素は、公衆衛生と医療応用において不可欠であるため、複数の国で重要な元素とみなされています。ヨウ素のリサイクルは限られており、供給量の5％未満ですが、デジタル写真への移行前に使用済み写真溶液からのリサイクルは歴史的に重要でした。

構造と基本的な性質

ヨウ素（記号I、原子番号53）は、周期表の17族に属するハロゲンで、フッ素、塩素、臭素、アスタチンとともに分類されます。その原子は53個の陽子、通常74個の中性子（安定同位体 \(\,^{127}\mathrm{I}\) の場合）、および電子配置 [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁵ の53個の電子を持ちます。

ヨウ素は、金属光沢のある灰黒色から青黒色の結晶性固体で、層状構造を示します。密度は4.93 g/cm³で、中程度の密度です。ヨウ素は直方晶系の結晶構造を持ち、ファンデルワールス力によって結合した二原子分子I₂を形成します。ヨウ素結晶は脆く、簡単に光沢のある薄片に砕けます。

ヨウ素は113.7 °C（386.85 K）で融解し、184.3 °C（457.4 K）で沸騰します。ヨウ素の最も顕著な性質は、室温で容易に昇華することです。つまり、中間の融解を経ずに固体から直接気体に変化します。この昇華により、特徴的な濃い紫色の蒸気が生成され、刺激臭があります。

固体のヨウ素は金属光沢がありますが、非金属であり、固体状態では電気の不良導体です。高圧（16 GPa以上）下では、ヨウ素は金属となり導電性を示します。気体のヨウ素は可視光を強く吸収し、濃い紫色を呈します。ヨウ素は純水にはほとんど溶けません（20 °Cで0.03 g/100 mL）が、エタノールやヨウ化物溶液には非常に溶けやすく、三ヨウ化物イオンI₃⁻を形成します。

ヨウ素の融点：386.85 K（113.7 °C）。
ヨウ素の沸点：457.4 K（184.3 °C）。
ヨウ素は室温で容易に昇華し、壮観な紫色の蒸気を生成します。

ヨウ素の同位体表

ヨウ素の同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
ヨウ素-123 — \(\,^{123}\mathrm{I}\,\)	53	70	122.905589 u	合成	≈ 13.2 時間	放射性（EC）。甲状腺のSPECT医療画像に使用。
ヨウ素-125 — \(\,^{125}\mathrm{I}\,\)	53	72	124.904624 u	合成	≈ 59.4 日	放射性（EC）。放射線治療および分子生物学のトレーサーとして使用。
ヨウ素-127 — \(\,^{127}\mathrm{I}\,\)	53	74	126.904473 u	≈ 100 %	安定	ヨウ素の唯一の安定同位体で、天然のヨウ素の全てを占める。
ヨウ素-129 — \(\,^{129}\mathrm{I}\,\)	53	76	128.904988 u	微量（核分裂生成物）	≈ 1570万年	放射性（β⁻）。非常に長い半減期の核分裂生成物、環境トレーサー。
ヨウ素-131 — \(\,^{131}\mathrm{I}\,\)	53	78	130.906125 u	合成	≈ 8.02 日	放射性（β⁻）。主要な核分裂生成物、甲状腺の核医学に使用。

ヨウ素の電子配置と電子殻

注：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

ヨウ素は53個の電子を5つの電子殻に持っています。その完全な電子配置は： 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁵、または簡略化すると：[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁵。この配置は K(2) L(8) M(18) N(18) O(7) と書くこともできます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含み、この内側の殻は完全で非常に安定です。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布し、この殻も完全で貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布し、この完全な殻は電子遮蔽に寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子が分布し、完全な4d軌道は特に安定です。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁵に7個の電子が分布し、これらの7個の電子がヨウ素の価電子です。

価電子と酸化状態

ヨウ素は7個の価電子を持ちます：5s²の2個の電子と5p⁵の5個の電子で、貴ガスのキセノンの安定配置に達するために1個の電子が不足しています。主な酸化状態は -1、+1、+3、+5、+7です。-1の状態が最も一般的で、ヨウ化カリウム（KI）やヨウ化ナトリウム（NaI）などの塩でヨウ化物イオンI⁻を形成します。

+1の状態はヨウ素モノクロライド（ICl）などの化合物に現れます。+3の状態は三塩化ヨウ素（ICl₃）に存在します。+5の状態はヨウ素酸（HIO₃）やヨウ素酸カリウム（KIO₃）などのヨウ素酸塩に存在します。+7の状態は最も酸化された状態で、過ヨウ素酸（HIO₄またはH₅IO₆）や過ヨウ素酸塩に現れ、ヨウ素がすべての価電子を使用します。分子状ヨウ素I₂は酸化状態0に相当します。

化学的反応性

ヨウ素は安定なハロゲン（フッ素、塩素、臭素の後）の中で最も反応性が低いですが、それでも重要な酸化剤です。室温では、ヨウ素は多くの金属とゆっくり反応してヨウ化物を形成します。アルカリ金属との反応は激しくなることがあります：2Na + I₂ → 2NaI。ナトリウムやカリウムはヨウ素と激しく反応し、炎や煙を発生させます。

ヨウ素は酸素と直接反応しませんが、ヨウ素の酸化物（I₂O₅、I₂O₄、I₄O₉）は間接的に合成することができます。水素との反応では、可逆的で不完全な反応でヨウ化水素（HI）を形成します：H₂ + I₂ ⇌ 2HI。この平衡反応は化学熱力学の古典的な例です。

ヨウ素はより反応性の高いハロゲンと反応して、ICl、IBr、IF₅などのインターハロゲン化合物を形成します。塩素との反応では、ヨウ素塩化物が生成されます：I₂ + Cl₂ → 2IClまたはI₂ + 3Cl₂ → 2ICl₃。ヨウ素はヨウ化物溶液に溶解して褐色の三ヨウ化物イオンを形成し、水への溶解度が大幅に増加します：I₂ + I⁻ → I₃⁻。

ヨウ素の検出に使用される特徴的な反応は、デンプンが分子状ヨウ素と強い青紫色の錯体を形成することです。これにより、微量のヨウ素（マイクログラムオーダーの感度）を検出することができます。この反応は分析化学やヨウ素滴定法で使用されます。

ヨウ素の産業および技術的応用

人間の健康とヨウ素欠乏症の予防のための塩のヨウ素添加 - 需要の25-30％；
医療用消毒剤および殺菌剤（ヨウ素チンキ、ポビドンヨード）；
核医学および放射線治療（¹³¹Iによる甲状腺がんの治療）；
有機化学合成およびポリマーの触媒；
医療用X線撮影の造影剤（ヨウ素化合物）；
動物飼料におけるヨウ素欠乏の補充；
ナイロンおよび合成ポリマーの安定剤；
繊維産業の染料および顔料；
LCD画面および光学ポラライザー；
ヨウ素ハロゲンランプの光源；
緊急時の水の消毒；
伝統的な銀塩写真（歴史的に重要）；
石油およびガス産業の殺菌剤；
埋め込み型医療機器用のリチウムヨウ素電池。

ヨウ素と甲状腺の健康：重要な応用

ヨウ素の最も重要な応用は、人間の健康、特に甲状腺機能に絶対的に不可欠な役割を果たすことです。ヨウ素は甲状腺ホルモンであるチロキシン（T4）とトリヨードチロニン（T3）の基本的な構成要素であり、これらのホルモンは代謝、成長、神経発達、および多くの重要な生理機能を調節します。

ヨウ素欠乏症は、世界中で予防可能な精神遅滞と子供の脳発達障害の主要な原因です。ヨウ素欠乏症は世界中で約20億人に影響を与え、特に海から遠い山岳地帯や内陸部で多く見られます。症状には、甲状腺腫（甲状腺の肥大）、甲状腺機能低下症、クレチン症、認知障害などがあります。

世界保健機関（WHO）が推奨する食塩のヨウ素添加は、実施された中で最も効果的で経済的な公衆衛生介入の一つです。食塩1キログラムあたり15-40 mgのヨウ素（ヨウ素酸カリウムまたはヨウ化カリウムの形で）を添加することで、欠乏症を予防することができます。この戦略により、多くの先進国で欠乏症が根絶されました。

成人は1日あたり約150マイクログラムのヨウ素を必要とし、妊娠中および授乳中の女性は220-290マイクログラムを必要とします。天然の食品源には、海産物（魚、甲殻類、海藻）、乳製品、卵などがあります。乾燥昆布1枚には数ミリグラムのヨウ素が含まれており、1日の必要量を大幅に上回ります。

放射性ヨウ素の医療応用

放射性ヨウ素、特に同位体¹³¹Iは核医学で重要な役割を果たします。ヨウ素-131は半減期が8日で、ベータ線とガンマ線を放出し、治療と診断画像の両方に使用されます。甲状腺はヨウ素を選択的に取り込み、投与された放射性ヨウ素を自然に濃縮します。

放射性ヨウ素治療は、バセドウ病や有毒性結節などの甲状腺機能亢進症および分化型甲状腺がんの標準治療です。ヨウ素-131の単回経口投与により、内部被曝によって甲状腺の過活動細胞またはがん細胞を選択的に破壊し、周囲の組織を傷つけません。甲状腺がんの場合、手術的甲状腺全摘出後に放射性ヨウ素が残存するがん細胞と転移を除去します。

ヨウ素-123は半減期が13時間と短く、ガンマ線のみを放出するため、治療効果はほとんどなく、甲状腺の診断用シンチグラフィー画像に使用されます。ヨウ素-125は、前立腺がんや眼の悪性黒色腫などの局所腫瘍の治療に使用される小線源治療や、生物学的研究のトレーサーとして使用されます。

消毒と殺菌

ヨウ素は、広範囲の殺菌作用を持つ強力な消毒剤および殺菌剤で、細菌、ウイルス、真菌、原虫、芽胞に対して有効です。その殺菌作用は、微生物の細胞成分、特にタンパク質と核酸の酸化およびヨウ素化によるもので、細胞死を迅速に引き起こします。

ヨウ素チンキ（ヨウ素とヨウ化カリウムのアルコール溶液）は1世紀以上にわたり外科用消毒剤の標準でした。ポビドンヨード（ベタジン）は、ヨウ素とポビドンの錯体で、現代の標準的な消毒剤となっています。これは徐々に活性ヨウ素を放出し、刺激を減らしながら持続的な抗菌効果を維持します。

10％ポビドンヨード溶液には1％の利用可能なヨウ素が含まれており、手術前の皮膚消毒、傷の治療、およびうがい薬として使用されます。ヨウ素錠剤は、サバイバル状況、自然災害、または開発途上国への旅行時の飲料水の緊急消毒に使用されます。

毒性と環境への懸念

ヨウ素は栄養量では比較的毒性が低いですが、高用量では有毒になります。急性ヨウ素中毒（数グラムの摂取）は、激しい腹痛、嘔吐、下痢、口や喉の火傷、および潜在的な心血管ショックを引き起こします。古典的な解毒剤はデンプンで、ヨウ素と錯体を形成し吸収を減少させます。

慢性的な過剰なヨウ素曝露は、甲状腺機能障害（ウォルフ・チャイコフ効果による甲状腺機能低下症またはヨードベースドウ現象による甲状腺機能亢進症）を引き起こす可能性があり、特に既存の甲状腺異常を持つ個人に影響を与えます。成人の耐容上限摂取量は1日あたり1100マイクログラムに設定されています。

ヨウ素蒸気は目、呼吸器粘膜、肺に強い刺激を与えます。化学産業での職業曝露には適切な換気と保護装備が必要です。元素状のヨウ素は皮膚や組織を褐色に強く染色しますが、これらの染みは一時的で徐々に消えます。

放射性ヨウ素、特に¹³¹Iは、原子力事故時の主要な放射線リスクの一つです。チェルノブイリ（1986年）と福島（2011年）の災害では、大量のヨウ素-131の放出により、特に子供たちの間で甲状腺がんの発生率が大幅に増加しました。予防的なヨウ化カリウム錠剤の配布は、甲状腺を安定ヨウ素で飽和させ、放射性ヨウ素の取り込みを阻害し、甲状腺がんのリスクを低減します。

天体物理学と宇宙論における役割

ヨウ素は主に、超新星の核崩壊や中性子星の合体（キロノバ）時に発生するrプロセス（急速中性子捕獲）によって星で合成されます。AGB星でのsプロセス（遅い中性子捕獲）はヨウ素の生成にわずかに寄与します。安定同位体¹²⁷Iは主にrプロセスによって生成されます。

宇宙におけるヨウ素の存在量は極めて低く、水素の原子数に対して約9×10⁻¹¹倍であり、宇宙で最も希少な元素の一つです。この希少性は、ヨウ素の陽子数が奇数（53）であるため、偶数の陽子数を持つ元素よりも安定性が低く、また、希少な爆発的イベントでの生成が限定されているためです。

放射性同位体¹²⁹Iは半減期が1570万年で、rプロセスおよびウラン-238の自発核分裂によって生成されます。原始隕石中の¹²⁹Iの存在は、この同位体が原始太陽系に存在していたことを示し、最後の恒星核合成と太陽系の形成の間の時間間隔（数千万年）に制約を与えます。隕石中の¹²⁹I/¹²⁷I比は、初期太陽系のイベントを年代測定するための放射性時計として使用されます。

中性ヨウ素（I I）とイオン化ヨウ素（I II）のスペクトル線は、この元素の宇宙存在量が非常に低く、第一イオン化ポテンシャルが比較的高いため、恒星スペクトルではめったに観測されません。しかし、rプロセス元素に富むいくつかの化学的に特異な星でヨウ素の痕跡が検出され、爆発的核合成のモデルを確認しています。キロノバ（中性子星の合体）のスペクトルにおけるヨウ素の観測は、これらの破滅的イベントがrプロセスの重元素、ヨウ素を含む主要な生成サイトであることを確認しています。

世界の生産と供給

世界のヨウ素生産は地理的に集中しており、チリと日本で総生産量の約80-85％を占めています。チリは、世界で最もヨウ素が豊富なアタカマ砂漠のカリチェ（天然硝石）のかん水からヨウ素を主に抽出しています。これらの堆積物は、海藻によってヨウ素が濃縮された古代の海水の蒸発によって形成されました。

日本は、主に千葉地域の天然ガス採掘のかん水からヨウ素を回収しています。これらの地下かん水は、古代の海洋有機物の溶解により高濃度のヨウ素（50-150 mg/L）を含んでいます。米国とトルクメニスタンも石油かん水からヨウ素を生産しています。

抽出プロセスは通常、ヨウ化物（I⁻）を塩素ガスまたは他の酸化剤で酸化して分子状ヨウ素（I₂）にし、その後昇華によって精製します。生産されるヨウ素の純度は通常99.5％以上です。世界のヨウ素需要は年間約3-5％増加しており、主に公衆衛生、医療用造影剤、産業用途によって牽引されています。

産業および製薬源からのヨウ素のリサイクルは限られていますが、増加しています。使用済み写真溶液からのヨウ素回収は歴史的に重要でしたが、銀塩写真の減少とともにこの供給源はほとんどなくなりました。長期的な供給の安全性に対する懸念から、一部の国は公衆衛生のニーズを確保するために戦略的なヨウ素備蓄を確立しています。

環境中のヨウ素と生物地球化学的循環

ヨウ素は、海洋、大気、土壌、生物の間で複雑な生物地球化学的循環をたどります。海洋は地球上のヨウ素の主要な貯蔵庫であり、約600億トンの溶存ヨウ素を含んでいます。海藻はヨウ素を大量に濃縮し、海水に対して10,000から30,000倍の濃度に達します。

昆布（コンブ）は、ヨウドメタン（CH₃I）やジヨウドメタン（CH₂I₂）などの揮発性有機ヨウ素化合物を大気中に放出し、陸地へのヨウ素輸送に大きく貢献します。これらの生物起源の排出は、年間約100万から200万トンのヨウ素を揮発性有機化合物の形で供給します。これらの化合物はまた、大気化学に関与し、エアロゾルや雲の形成に影響を与えます。

大陸では、ヨウ素は一般的に土壌中で不足しており、特に山岳地帯、氷河地帯、海から遠い内陸部では大気沈着が少ないためです。降水による浸出により、土壌中のヨウ素は徐々に減少します。沿岸地域では、海洋性ヨウ素の大気沈着が多く、欠乏が軽減されます。

植物は主にヨウ素酸イオン（IO₃⁻）とヨウ化物イオン（I⁻）の形で土壌からヨウ素を吸収しますが、濃度は一般的に低く、海産物や沿岸地域を除いて人間の必要量を満たすには不十分です。多くの陸上生態系におけるこの自然なヨウ素欠乏が、食品強化と塩のヨウ素添加の重要性を説明しています。