Fumi viola: l’importanza dello iodio

Cosa rende lo iodio cosi importante e interessante? Non solo evapora in spettacolari fumi viola, ma incide su molti aspetti della vita sulla terra e sulla civiltà umana. Sapevate, per esempio, che lo iodio protegge le alghe marine dallo stress ossidativo (per esempio dal Sole), previene alcune anomalie congenite nell’uomo, e ha molte applicazioni a livello industriale?

La scoperta dello iodio risale al 19^mo secolo e alle guerre Napoleoniche. Con gli Inglesi che assediavano i porti Europei, i Francesi si trovarono di fronte alla carenza di salnitro (KNO₃) per la produzione di polvere da sparo. Cosi il chimico Bernard Courtois esplorò la potenzialità delle alghe marine (alghe brune,Laminaria sp.) come risorsa di potassio per questa cruciale sostanza. Aggiunse acido solforico concentrato alle ceneri delle alghe e rimase sorpreso dai bellissimi fumi di colore viola che venivano prodotti.

Nonostante Courtois avesse il sospetto che i suoi vapori viola fossero un nuovo elemento, non aveva abbastanza risorse economiche per continuare le sue ricerche. Furono i suoi colleghi, come Joseph Gay-Lussac, a confermare i suoi risultati e a chiamare l’elemento iodio, dalla parola greca iodes, che significa viola o violetto.

Gay-Lussac continuò a esplorare la chimica dello iodio, e nonostante la guerra, i chimici Francesi trovarono un modo per collaborare con i chimici Inglesi, in particolare con Sir Humphry Davy. Inizialmente, Davy credeva che il vapore fosse un composto del cloro, ma presto concluse che si trattava in realtà di un nuovo elemento.

Con l’aiuto della spettroscopia di assorbimento dei raggi X, adesso sappiamo che le alghe accumulano iodio sotto forma di ioduro (I-), che agisce come antiossidante per proteggerle contro lo stress ossidativo causato dall’ozono atmosferico (O₃). Questo in qualche modo spiega perché possiamo trovare piccole trace della molecola dello iodio (I₂) nell’atmosfera delle regioni costiere e perché l’assunzione di iodio da parte dell’uomo che vive in queste regioni dipende dalla abbondanza delle alghe piuttosto che dalla vicinanza al mare.

Per la maggior parte del secolo successivo, lo iodio continuerà ad essere estratto dalle alghe. Oggi, tuttavia, viene rimosso dalle salamoie contenenti iodio naturale in giacimenti di gas e petrolio in Giappone e America, o dalle caliche cileni (sali di nitrato), che contengono iodato di calcio (Ca(IO₃)₂). Lo iodio viene commercializzato nella forma solida nero-violaceo.

La chimica dello iodio

Lo iodio appartiene alla famiglia degli alogeni, e quindi condivide la maggior parte delle tipiche caratteristiche degli elementi di questo gruppo. Vista la sua alta elettronegatività, lo iodio forma ioduri con la maggior parte degli elementi nel suo stato di ossidazione convenzionale, -I. Molti composti contenenti ioduro sono frequentemente usati come reagenti nella sintesi organica – soprattutto per la iodinazione, ossidazione e formazione del legame C-C.

Lo iodio presente nell’atmosfera in genere deriva da processi biologici e chimici dell’oceano – come il sistema antiossidante dello ioduro nelle alghe. La maggior parte dello iodio è in definitiva rimosso dall’atmosfera con la formazione delle nubi. Nell’oceano, lo iodio è in genere dissolto e si trova come iodato (IO₃^-,forma ossidata) e ioduro (I^-, forma ridotta). Nello strato esterno della terra (litosfera), la maggior parte dello iodio si trova in sedimenti marini e terrestri; i livelli di iodio sono bassi nelle rocce eruttive.

L’importanza fisiologica dello iodio

Fisiologicamente, lo iodio è un elemento essenziale, richiesto per la sintesi degli ormoni tiroidei – triiodotirosina e tiroxina – che regolano la crescita, lo sviluppo e il metabolismo cellulare. L'assunzione giornaliera raccomandata di iodio per gli adulti è di 150 µg, che può essere assunta attraverso i latticini, alghe e il sale da tavola iodizzato.

Il classico sintomo di carenza di iodio è il rigonfiamento della tiroide (gozzo). Come i livelli di iodio si riducono, la ghiandola pituitaria anteriore secerne crescenti livelli di ormone tireostimolante nel tentativo di massimizzare l'assorbimento di iodio disponibile; questo porta alla crescita eccessiva della ghiandola tiroidea.

Ma l'effetto più dannoso dovuto alla mancanza di iodio si riscontra nello sviluppo del cervello dei bambini, che porta a ritardo mentale. Inoltre, la grave carenza di iodio durante la gravidanza è associata ad una maggiore incidenza della morte prenatale, aborto spontaneo e anomalie congenite.

Il modo più efficace per prevenire la carenza di iodio è aggiungere ioduro di potassio (KI) o iodato di potassio (KIO₃) al sale da tavola. Questa pratica di iodizzazione del sale viene effettuata in circa 120 paesi, con il risultato di più del 70% della popolazione mondiale avente a disposizione sale iodato.

L’uso industriale dello iodio

Lo iodio e i suoi composti sono usati in una miriade di prodotti, dal cibo ai farmaci, dal mangime ai catalizzatori industriali. Per esempio, lo iodio è un potente antimicrobico. Per più di un secolo, la tintura di iodio – una miscela di etanolo, acqua, iodio e ioduro di potassio – era usata come disinfettante per le ferite. Questa adesso è stata largamente rimpiazzata da ionofori solubili in acqua (iodio complessato con tensioattivi), che sono meno irritanti per la pelle. Per esempio, iodopovidone, una miscela di polivinilpirrolidone e iodio, è ampiamente usata come disinfettante chirurgico.

Nella produzione industriale di acido acetico, i composti allo iodio come lo ioduro di rodio (il processo Monsanto) o ioduro di iridio (il processo Cativa della BP) sono usati per catalizzare la carbonilazione del metanolo.

Lo ioduro di argento (AgI), usato nelle prime lastre fotografiche, è oggi usato nella inseminazione delle nuvole per avviare la pioggia e per il controllo del clima. Poiché lo AgI ha una struttura cristallina simile al ghiaccio, questo può indurre il congelamento fornendo siti di nucleazione. Questo è stato effettuato durante le Olimpiadi di Beijing nel 2008 per prevenire la pioggia durante la cerimonia di apertura e chiusura.

Con il suo alto peso atomico (126.9) e un grande numero di elettroni, lo iodio è anche un eccellente assorbente per i raggi X ed è usato come mezzo di contrasto nelle radiografie. Queste sostanze sono sicure tanto da poter essere somministrate nell’uomo e permettono di visualizzare i tessuti molli negli esami radiografici.

Lo iodio è comunemente usato nella produzione di schermi a cristallo liquido delle televisioni, computers e cellulari, che utilizzano pellicole polarizzanti per filtrare la luce. Queste pellicole sono comunemente costituite da strati di alcol polivinilico. Qui, lo iodio agisce come un cross-linker e assicura che la struttura sia polarizzante.

Lo iodio nell’industria energetica

Lo iodio è usato in una delle più promettenti cellule fotovoltaiche sul mercato per la produzione di ‘energia verde’ a basso costo: cella fotoelettrica costituita da un colorante che trasferisce elettroni al biossido di titanio. È anche conosciuta come cella di Grätzel dal nome del suo inventore, che è composta da elettroliti di poliioduro come strato di trasporto di cariche tra il catodo e l'anodo (per saperne di più, vedi Shallcross et al., 2009).

Dei 37 isotopi conosciuti dello iodio, tutti tranne uno, lo ¹²⁷I, sono radioattivi. La maggior parte dei radioisotopi, che sono prodotti da reazioni di fissione nelle centrali nucleari e nelle armi, hanno vita breve, ciò ne permette l’uso come traccianti e agenti terapeutici in medicina. Per esempio, gli isotopi dello iodio possono essere usati per visualizzare la ghiandola tiroidea, che assorbe iodio radioattivo quando viene iniettato nel circolo sanguigno.

Sfortunatamente, lo ¹³¹I radioattivo, rilasciato da incidenti nucleari – come il disastro di Fukushima, in Giappone, nel 2011 – è anche assorbito dalla tiroide. Poiché emette β-particelle ad alta energia, questo danneggia le cellule e causa il cancro. Per contrastare questo effetto, le compresse allo ioduro di potassio (KI) non radioattivo sono ingerite in modo da saturare la capacità della tiroide di assorbire lo iodio radioattivo.

Questi sono solo alcuni esempi delle diverse applicazioni dello iodio. Chiaramente, nonostante questo elemento sia conosciuto da oltre duecento anni, è ben stabilito nella chimica moderna, fisica e medicina.

Ringraziamenti

Questo articolo è stato adattato da una pubblicazione più estesa presente nelAngewandte Chemie International Edition (Küpper et al., 2011).