КАЛІЙ: ІСТОРІЯ, СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, РЕАКЦІЇ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Калію являє собою лужної хімічний символ К. Його атомний номер 19 і розташований нижче натрію в періодичній таблиці. Це м'який метал, який навіть можна різати ножем. Крім того, він досить легкий, і він може плавати на рідкій воді, при цьому енергійно реагуючи.

Свіжозрізаний, він має дуже яскравий сріблясто-білий колір, але, потрапляючи на повітря, він швидко окислюється і втрачає блиск, перетворюючись на сіруватий колір (майже синюватий, як той, що зображений на зображенні нижче).

Частково окислені шматки калію зберігаються в мінеральній олії. Джерело: 2 × 910

Калій вибухово реагує з водою, утворюючи гідроксид калію та газ водню. Саме цей газ відповідає за вибуховість реакції. Коли він горить у запальничці, його збуджені атоми фарбують полум'я в інтенсивний бузковий колір; це одне з його якісних випробувань.

Це сьомий найпоширеніший метал у земній корі і становить 2,6% його ваги. Він міститься в основному в магматичних породах, сланцях і відкладах, крім мінералів, таких як сильвіт (KCl). На відміну від натрію, його концентрація в морській воді низька (0,39 г / л).

Калій був виділений у 1807 році англійським хіміком сером Хамфрі Деві шляхом електролізу розчину гідроксиду KOH. Цей метал був першим виділений електролізом, і Деві дав йому англійську назву калій.

Однак у Німеччині для позначення металу використовували назву калій. Саме з цього прізвища походить буква "К", яка використовується як хімічний символ для калію.

Сам метал має мало промислового використання, але він дає багато корисних сполук. Однак біологічно це набагато важливіше, оскільки він є одним з найважливіших елементів нашого організму.

Наприклад, у рослин сприяє фотосинтез, процес осмосу. Він також сприяє синтезу білка, тим самим сприяючи зростанню рослин.

Історія

Картопля

З давніх часів людина використовувала поташ як добриво, ігноруючи існування калію, значно менше його зв’язок з калієм. Це готували з попелу стовбурів і листя дерев, до яких додавали воду, яку згодом випарували.

Овочі містять переважно калій, натрій та кальцій. Але сполуки кальцію погано розчиняються у воді. З цієї причини поташ був концентратом сполук калію. Слово походить від скорочення англійських слів "pot" та "ash".

У 1702 р. Г. Ернст Шталь запропонував різницю між солями натрію та калію; Ця пропозиція була перевірена Генрі Дюамелем дю Монсо в 1736 р. Оскільки точний склад солей не був відомий, Антуан Лавузер (1789 р.) Вирішив не включати луги до списку хімічних елементів.

Відкриття

У 1797 році німецький хімік Мартін Клапрот виявив поташ в мінералах лейцит і лепідоліт, тому він зробив висновок, що це не просто продукт рослин.

У 1806 році англійський хімік сер Хамфрі Деві виявив, що зв'язок між елементами сполуки має електричну природу.

Потім Дейві виділив калій електролізом гідроксиду калію, спостерігаючи кульки металевого блиску, що накопичилися на аноді. Він назвав метал англійським етимологічним словом калій.

У 1809 році Людвіг Вільгельм Гілберт запропонував назву калій (калій) для калію Дейві. Берцелій викликав назву калій, щоб присвоїти калію хімічний символ "К".

Нарешті, Юстус Лібіг у 1840 р. Виявив, що калій є необхідним елементом для рослин.

Структура та конфігурація електронів калію

Металевий калій кристалізується при нормальних умовах у кубічній (скп) структурі. Для цього характерно те, що він тонкий, що відповідає властивостям калію. Атом K оточений вісьмома сусідами, прямо в центрі куба і з іншими атомами K, розташованими у вершинах.

Ця фаза ОЦК також позначається як фаза KI (перша). Коли тиск зростає, кристалічна структура ущільнюється до кубічної (fcc) фази, орієнтованої на обличчя. Однак тиск в 11 ГПа потрібен, щоб цей перехід відбувся спонтанно.

Ця щільна фаза Fcc відома як K-II. При більш високих тисках (80 ГПа) та нижчих температурах (менше -120 ºC) калій набуває третьої фази: K-III. К-III характеризується здатністю розміщувати інші атоми або молекули в межах його кристалічних порожнин.

Існують також дві інші кристалічні фази при ще більших тисках: К-IV (54 ГПа) і КВ (90 ГПа). При дуже холодних температурах калій навіть виявляє аморфну ​​фазу (з невпорядкованими атомами К).

Номер окислення

Конфігурація електрону калію:

4s ¹

Орбіталь 4s є найбільш зовнішньою і тому має єдиний валентний електрон. Це теоретично відповідає за металевий зв’язок, який утримує атоми K разом для визначення кристала.

З тієї ж конфігурації електронів легко зрозуміти, чому калій зазвичай завжди (або майже завжди) має число окислення +1. Коли він втрачає один електрон, утворюючи катіон К ⁺ , благородний газовий аргон з його повним валентним октетом стає ізоелектронним.

У більшості похідних сполук калій вважається К ⁺ (навіть якщо його зв’язки не є чисто іонними).

З іншого боку, хоча й менш імовірно, калій може набрати електрон, маючи у своїй орбіталі 4s два електрона. Таким чином, метал кальцію стає ізоелектронним:

4s ²

Потім говориться, що він отримав електрон і має негативне число окислення, -1. Коли це число окиснення обчислюється в сполуці, передбачається існування аніона потазиду, К ^- .

Властивості

Зовнішній вигляд

Глянцевий білий сріблястий метал.

Молярна маса

39.0983 г / моль.

Точка плавлення

83,5 ° С.

Точка кипіння

759 ° С.

Щільність

-0,862 г / см ³ , при кімнатній температурі.

-0,828 г / см ³ , при температурі плавлення (рідина).

Розчинність

Бурно реагує на воду. Розчинний у рідкому аміаку, етилендіаміні та аніліні. Розчинний в інших лужних металах з утворенням сплавів та в ртуті.

Щільність пари

1.4 стосовно повітря, прийнятого як 1.

Тиск пари

8 мм рт.ст. при 432 ° С.

Стабільність

Стабільний, якщо він захищений від повітря і вологи.

Корозійність

Він може бути корозійним при контакті з металами. При контакті це може спричинити опіки шкіри та очей.

Поверхневе натягнення

86 дин / см при 100 ° С.

Тепло синтезу

2,33 кДж / моль.

Тепло випаровування

76,9 кДж / моль.

Молярна теплоємність

29,6 Дж / (моль · К).

Електронегативність

0,82 за шкалою Полінга.

Енергії іонізації

Перший рівень іонізації: 418,8 кДж / моль.

Другий рівень іонізації: 3.052 кДж / моль.

Третій рівень іонізації: 4,420 кДж / моль.

Атомне радіо

227 вечора.

Ковалентний радіус

203 ± 12 вечора.

Теплове розширення

83,3 мкм / (м · К) при 25 ° С.

Теплопровідність

102,5 Вт / (мК).

Електричний опір

72 nΩ · m (при 25 ° C).

Твердість

0,4 за шкалою Мооса.

Природні ізотопи

Калій відбувається переважно у вигляді трьох ізотопів: ³⁹ К (93,258%), ⁴¹ К (6,73%) та ⁴⁰ К (0,012%, радіоактивна β-емісія)

Номенклатура

Сполуки калію за замовчуванням мають номер окислення +1 (за особливими винятками). Тому в номенклатурі акцій (I) в кінці назв пропущено; а в традиційній номенклатурі назви закінчуються суфіксом -ico.

Наприклад, KCl - хлорид калію, а не калій (I) хлорид. Його традиційна назва - хлористий калій або монохлорид калію, згідно з систематичною номенклатурою.

Для решти, якщо вони не є дуже поширеними назвами або мінералами (наприклад, сильвін), номенклатура навколо калію досить проста.

Форми

Калій у природі не зустрічається в металевій формі, але його можна отримати промислово в цій формі для певного використання. Воно зустрічається головним чином у живих істот, в іонній формі (К ⁺ ). Взагалі це основний внутрішньоклітинний катіон.

Калій присутній у численних сполуках, таких як гідроксид калію, ацетат або хлорид тощо. Він також входить до близько 600 мінералів, включаючи сильвіт, алуніт, карналіт тощо.

Калій утворює сплави з іншими лужними елементами, такими як натрій, цезій та рубідій. Він також утворює потрійні сплави з натрієм і цезієм, завдяки так званим евтектичним синтезам.

Біологічна роль

Рослини

Калій, разом з азотом і фосфором, є трьома основними поживними речовинами рослини. Калій поглинається корінням в іонній формі: процес, який сприяє наявності адекватних умов вологості, температури та оксигенації.

Регулює відкриття та закриття позакореневих утворень: активність, яка дозволяє засвоювати вуглекислий газ, який поєднується з водою під час фотосинтезу, утворюючи глюкозу та кисень; Це агенти, що генерують АТФ, які є основним джерелом енергії живих істот.

Це полегшує синтез деяких ферментів, пов’язаних із ростом рослин, крім крохмалю, резервної речовини енергії. Він також втручається в осмос: процес, необхідний для кореневого поглинання води та мінералів; і в підйомі води через ксилему.

Хлороз - це прояв дефіциту калію в рослинах. Він характеризується тим, що листя втрачає зеленість і жовтіє, з обпаленими краями; і, нарешті, відбувається дефоліація із затримкою росту рослин.

Тварини

У тварин, як правило, калій є основним внутрішньоклітинним катіоном з концентрацією 140 ммоль / л; при цьому позаклітинна концентрація коливається між 3,8 і 5,0 ммоль / л. 98% калію в організмі приурочено до внутрішньоклітинного відділення.

Хоча споживання калію може змінюватись від 40 до 200 ммоль / добу, його позаклітинна концентрація зберігається постійною, регулюючи виведення нирок. У цьому бере участь гормон альдостерон, який регулює секрецію калію на рівні збірних та дистальних канальців.

Калій головним чином відповідає за підтримання внутрішньоклітинної осмолярності, а отже, він відповідає за підтримку клітинної цілісності.

Хоча плазматична мембрана є відносно проникною для калію, її внутрішньоклітинна концентрація підтримується активністю ферменту Na, АТФази (натрієвої та калієвої помпи), який видаляє три атоми натрію та вводить два атоми калію.

Реполяризація клітин

Збудливі клітини, що складаються з нейронів і смугастих і гладком’язових клітин; і смугасті м’язові клітини, складені з скелетних і серцевих м’язових клітин, здатні формувати потенціал дії.

Внутрішня частина збудливих клітин негативно заряджається по відношенню до зовнішньої сторони клітини, але при правильному стимулюванні проникність плазматичної мембрани клітин для натрію збільшується. Цей катіон проникає через плазматичну мембрану і перетворює нутро клітини в позитивну.

Явище, що відбулося, називається потенціалом дії, який має набір властивостей, серед них воно здатне поширюватися по всьому нейрону. Команда, видана мозку, рухається як потенціал дії до даного м’яза, щоб викликати його скорочення.

Щоб відбувся новий потенціал дії, внутрішній елемент клітини повинен мати негативний заряд. Для цього відбувається вихід калію з нутрощів клітини, повертаючи її до початкового негативу. Цей процес називається реполяризацією, є основною функцією калію.

Отже, формування потенціалів дії та ініціація скорочення м’язів є загальною відповідальністю натрію та калію.

Інші функції

Калій виконує інші функції людини, такі як тонус судин, контроль системного артеріального тиску та моторику шлунково-кишкового тракту.

Підвищення концентрації калію в плазмі крові (гіперкаліємія) викликає низку симптомів, таких як тривожність, нудота, блювота, біль у животі та порушення електрокардіограми. Хвиля Т, яка пов'язана з реполяризацією шлуночків, висока і широка.

Цей запис пояснюється тим, що в міру збільшення позаклітинної концентрації калію він залишає клітинку зовнішньо повільніше, тому реполяризація шлуночків відбувається повільніше.

Зниження концентрації калію в плазмі (гіпокальціємія), серед інших, має такі симптоми: м'язова слабкість, зниження моторики кишечника, зниження клубочкової фільтрації, серцева аритмія та сплющення хвилі Т електрокардіограми.

Хвиля Т скорочується, оскільки при зменшенні позаклітинної концентрації калію полегшується її вихід до клітинної зовнішності, а тривалість реполяризації зменшується.

Де знаходиться калій і виробництво

Кристал силіту, який складається практично з хлориду калію. Джерело: Роб Лавінський, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Калій міститься в основному в магматичних породах, сланцях та відкладах. Також у таких мінералах, як московіт та ортоклаз, які нерозчинні у воді. Ортоклаза - мінерал, який зазвичай зустрічається в магматичних породах та граніті.

Калій також присутній у водорозчинних мінеральних сполуках, таких як карналіт (KMgCl ₃ · 6H ₂ O), сильвіт (KCl) та ландбейніт, які містяться на сухих озерних руслах та на морському дні.

Крім того, калій міститься в розсолах і як продукт спалювання стовбурів і листя рослин у процесі, який використовується для виробництва калію. Хоча його концентрація у морській воді низька (0,39 г / л), її також використовують для отримання калію.

Калій присутній у великих родовищах, таких як Саскачеван, Канада, багатий мінералом сильвіт (KCl) і здатний виробляти 25% світового споживання калію. Сольові відходи рідини можуть містити значну кількість калію у вигляді KCl.

Електроліз

Калій отримують двома методами: електролізом та термічним. В процесі електролізу метод, який застосовується Деві для виділення калію, дотримувався без великих змін.

Однак цей спосіб з промислової точки зору виявився неефективним, оскільки високу температуру плавлення розплавлених сполук калію необхідно знизити.

Метод електролізу гідроксиду калію промислово застосовувався в 1920-х рр. Тепловий метод все-таки витіснив його і став домінуючим методом виробництва цього металу після 1950 року.

Тепловий метод

При термічному методі калій отримують за рахунок зменшення розплавленого хлориду калію при 870 ºC. Це безперервно подається в ректифікаційну колонку, наповнену сіллю. Тим часом пари натрію проходять через колону для отримання відновлення хлориду калію.

Калій є найбільш летючим компонентом реакції і накопичується у верхній частині дистиляційної колони, де збирається постійно. Виробництво металевого калію термічним методом можна окреслити в наступному хімічному рівнянні:

Na (g) + KCl (l) => K (l) + NaCl (l)

Процес Грізгаймера, в якому використовується реакція фториду калію з карбіду кальцію, також використовується при виробництві калію:

2 KF + CaC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

Реакції

Неорганічний

Калій є високореакційним елементом, який швидко реагує з киснем, утворюючи три оксиди: оксид калію (K ₂ O), перекис (K ₂ O ₂ ) та супероксид (KO ₂ ).

Калій - сильно відновний елемент, через що він окислюється швидше, ніж більшість металів. Він використовується для зменшення солей металів, замінюючи калій металом у солі. Цей спосіб дозволяє отримувати чисті метали:

MgCl ₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

Калій сильно реагує з водою, утворюючи гідроксид калію і виділяючи вибухонебезпечний водень (зображення нижче):

Металевий калій реагує з водним розчином фенолфталеїну, який стає пурпурно-червоним, коли іони ОН-середовища виділяються в середовище. Зверніть увагу на утворення газу водню. Джерело: Озонова аврора та Філіп Еванс через Вікіпедію.

Гідроксид калію може вступати в реакцію з діоксидом вуглецю з утворенням карбонату калію.

Калій реагує з оксидом вуглецю при температурі 60 ° С з утворенням вибухового карбонілу (K ₆ C ₆ O ₆ ). Він також реагує з воднем при 350 ° C, утворюючи гідрид. Він також сильно реагує з галогенами і вибухає при контакті з рідким бромом.

Вибухи також виникають, коли калій реагує з галогенованими кислотами, такими як соляна кислота, і суміш потрапляє або сильно струшується. Розплавлений калій далі взаємодіє з сіркою та сірководнем.

Органічні

Вступає в реакцію з органічними сполуками, що містять активні групи, але є інертними до аліфатичних та ароматичних вуглеводнів. Калій повільно реагує з аміаком з утворенням калію (KNH ₂ ).

На відміну від натрію, калій реагує з вуглецем у вигляді графіту, утворюючи ряд проміжних сполук. Ці сполуки мають атомне співвідношення вуглець та калій: 8, 16, 24, 36, 48, 60 або 1; наприклад, KC ₆₀ , наприклад.

Програми

Калій металевий

Промисловий попит на металевий калій не великий. Більшість його перетворюється на супероксид калію, використовується в респіраторах, оскільки він виділяє кисень і виводить вуглекислий газ і водяну пару.

Сплав NaK має велику теплоємність, через що його використовують як теплоносій в деяких ядерних реакторах. Так само випарований метал застосовувався в турбінах.

Сполуки

Хлорид

KCl використовується в сільському господарстві як добриво. Він також використовується як сировина для отримання інших сполук калію, таких як гідроксид калію.

Гідроксид

Також відомий як їдкий поташ, KOH, його використовують у виробництві мила та миючих засобів.

Його реакція з йодом виробляє йодид калію. Цю сіль додають до кухонної солі (NaCl) та корму, щоб захистити її від дефіциту йоду. Гідроксид калію використовується при виробництві лужних акумуляторів.

Нітрат

Також відомий як сілечко, KNO ₃ , його використовують як добриво. Крім того, його використовують при розробці феєрверків; як харчовий консервант, і в склянку для затвердіння.

Хромат

Його використовують у виробництві добрив та виробництві квасцових каліїв.

Карбонат

Він використовується при виготовленні скла, особливо тих, що використовуються у виробництві телевізорів.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Калій. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. McKeehan LW (1922). Кристалічна структура калію. Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки, 8 (8), 254–255. doi: 10.1073 / pnas.8.8.254
4. Масафумі Саката та ін. (2017). Структурний фазовий перехід калію в умовах високого тиску та низьких температур. Дж. Фіз .: конф. Сер. 950 042020.
5. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Калій. PubChem База даних., CID = 5462222. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Редактори Encyclopeedia Britannica. (03 травня 2019 р.). Калій. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
7. Королівське хімічне товариство. (2019). Калій. Відновлено: rsc.org
8. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (24 січня 2019 р.). 10 Факти калію. Відновлено з: thinkco.com
9. Кращий та Тейлор. (2003). Фізіологічні основи медичної практики. (13-е видання іспанською мовою). Редакція Médica Panamericana.
10. В'яз Аксаякатл. (02 березня 2018 р.). Важливість калію (К) у культурних рослинах. Відновлено з: blogagricultura.com
11. Lenntech BV (2019). Калій. Відновлено з: lenntech.com