Калий

Ка́лий(химический символ— K, отлат.Kalium) —химический элемент1-й группы(поустаревшей классификации— главной подгруппы первой группы, IA),четвёртого периодапериодической системы химических элементовД. И. Менделеева, сатомным номером19.
Простое веществокалий— мягкий, легкоплавкий и очень лёгкийщелочной металлсеребристо-белого цвета, быстро окисляющийся на воздухе. В природе калий встречается только в соединениях с другимиэлементами, например, вморской воде, а также во многихминералах, напримерсильвине.
Очень быстроокисляетсянавоздухеи очень легко вступает в химические реакции, особенно сводой, образуящёлочь. Благодаря низкой плотности кусок калия будет плавать на поверхности воды, пока не взорвётся.
Во многих свойствах калий очень близокнатрию, но с точки зрения биологической функции и использования клетками живых организмов ониантагонистичны.Соликалия обычно менее гидратированы, чем соли натрия.
Соединения калия используются с древнейших времён. Так, производствопоташа(который применялся как моющее средство) существовало уже вXI веке. Золу, образующуюся при сжигании соломы или древесины, обрабатывали водой, а полученный раствор (щёлок) после фильтрования выпаривали. Сухой остаток, помимокарбоната калияK2CO3, содержалсульфат калияK2SO4, соду ихлорид калияKCl.
19 ноября1807 годавБейкеровской лекциианглийский химикДэвисообщил о выделении калияэлектролизомрасплаваедкого кали(KOH)(в рукописи лекции Дэви указал, что он открыл калий 6 октября 1807 года). Дэви назвал его«потасий»(лат.potasium); это название (правда, в некоторых языках с двумя буквамиs) до сих пор употребительно в английском, французском, испанском, португальском и польском языках. При электролизе влажного едкого кали KOH на ртутном катоде он получил амальгаму калия, а после отгонки ртути — чистый металл. Дэви определил его плотность, изучил химические свойства, в том числе разложение воды и поглощение водорода.
В 1808 году французские химикиГей-ЛюссакиЛ. Тенарвыделили калий химическим путём — прокаливанием KOH с углём.
В1809 годунемецкий физикЛ. В. Гильбертпредложил название «калий» (лат.kalium, от араб.аль-кали—поташ). Это название вошло внемецкий язык, оттуда в большинство языков Северной и Восточной Европы (в том числе русский) и «победило» при выборе символа для этого элемента — K.
Кларккалия в земной коре составляет 2,4 % (5-й по распространённости металл,7-й по содержанию в земной кореэлемент). Средняя концентрация вморской воде—380 мг/л.
Ввиду высокой химической активности калий в свободном состоянии в природе не встречается. Породообразующий элемент, входит в составслюд,полевых шпатови т. д. Также калий входит в состав минераловсильвинаKCl,сильвинитаKCl·NaCl,карналлитаKCl·MgCl2·6H2O,каинитаKCl·MgSO4·6H2O, а также присутствует в золе некоторых растений в виде карбоната K2CO3(поташ). Калий входит в состав всехклеток(см. ниже раздел «Биологическая роль»).
Крупнейшие месторождения калия находятся на территорииКанады(производительPotashCorp),России(ПАО «Уралкалий», г.Березники, г.Соликамск,Пермский край,Верхнекамское месторождение калийных руд),Белоруссии(ПО «Беларуськалий», г.Солигорск,Старобинское месторождение калийных руд).
Калий, как и другие щелочные металлы, получаютэлектролизомрасплавленныххлоридовилищелочей. Так как хлориды имеют более высокую температуру плавления (600—650°C), то чаще проводят электролиз расплавленных щелочей с добавкой к ним соды или поташа (до 12 %). При электролизе расплавленных хлоридов накатодевыделяется расплавленный калий, а на аноде —хлор:
При электролизе гидроксида калия на катоде также выделяется расплавленный калий, а на аноде —кислород:
Вода из расплава быстро испаряется. Чтобы калий не взаимодействовал с хлором или кислородом, катод изготовляют измедии над ним помещают медный цилиндр. Образовавшийся калий в расплавленном виде собирается вцилиндре. Анод изготовляют также в виде цилиндра изникеля(при электролизе щелочей) либо изграфита(при электролизе хлоридов).
Важное промышленное значение имеют и методы термохимического восстановления:
и восстановление из расплава хлорида калиякарбидом кальция,алюминиемиликремнием.
Калий — серебристый металл с характерным блеском на свежеобразованной поверхности. Очень лёгок и легкоплавок. Относительно хорошо растворяется вртути, образуяамальгамы. Будучи внесённым в пламя горелки, калий (а также его соединения) окрашивает пламя в характерный розово-фиолетовый цвет.
Калий образует кристаллыкубической сингонии,пространственная группаI m3m, параметры ячейкиa= 0,5247 нм,Z= 2.
Элементарный калий, как и другиещелочные металлы, проявляет типичные металлические свойства и очень химически активен, является сильным восстановителем. На воздухе свежий срез быстро тускнеет из-за образования плёнок соединений (пероксиды, оксиды и карбонат). При длительном контакте с атмосферой способен полностью разрушиться. С водой реагирует со взрывом. Хранить его необходимо под слоембензина,керосинаилисиликона, дабы исключить контакт воздуха и воды с его поверхностью. СNa,Tl,Sn,Pb,Biкалий образуетинтерметаллиды.
Калий при комнатной температуре реагирует с кислородом воздуха, галогенами; практически не реагирует сазотом(в отличие отлитияи натрия). При умеренном нагревании реагирует сводородомс образованиемгидрида(200—350 °C):
схалькогенами(100—200 °C, E = S, Se, Te):
При сгорании калия на воздухе образуетсянадпероксид калияKO2(с примесью K2O2):
В реакции сфосфоромв инертной атмосфере образуетсяфосфид калиязелёного цвета (200 °C):
Калий при комнатной температуре (+20 °C) активно реагирует с водой, кислотами, растворяется в жидкомаммиаке(−50 °C) с образованием тёмно-синего растворааммиакатакалия.
Калий глубоко восстанавливаетразбавленныесернуюиазотнуюкислоты:
При сплавлении металлического калия со щелочами он восстанавливает водород гидроксогруппы:
При умеренном нагревании реагирует с газообразным аммиаком с образованиемамида(+65…+105 °C):
Металлический калий реагирует соспиртамис образованиемалкоголятов:
Алкоголяты щелочных металлов (в данном случае —этилат калия) широко используются в органическом синтезе.
При взаимодействии калия скислородомвоздухаобразуется неоксид, апероксидисупероксид:
Оксид калияможет быть получен при нагревании металла до температуры не выше 180 °C в среде, содержащей очень малокислорода, или при нагревании смеси супероксида калия с металлическим калием:
Оксиды калия обладают ярко выраженными осно́вными свойствами, бурно реагируют с водой, кислотами и кислотными оксидами. Практического значения они не имеют. Пероксиды представляют собой желтовато-белые порошки, которые, хорошо растворяясь в воде, образуют щёлочи ипероксид водорода:
Свойство обменивать углекислый газ на кислород используется в изолирующихпротивогазахи на подводных лодках. В качестве поглотителя используют эквимолярную смесь супероксида калия и пероксида натрия. Если смесь не эквимолярна, то в случае избытка пероксида натрия поглотится больше газа, чем выделится (при поглощении двух объёмов CO2выделяется один объём O2), и давление в замкнутом пространстве упадёт, а в случае избытка супероксида калия (при поглощении двух объёмов CO2выделяется три объёма O2) выделяется больше газа, чем поглотится, и давление повысится.
В случае эквимолярной смеси (Na2O2:K2O4= 1:1) объёмы поглощаемого и выделяемого газов будут равны (при поглощении четырёх объёмов CO2выделяется четыре объёма O2).
Пероксиды являются сильными окислителями, поэтому их применяют дляотбеливаниятканей в текстильной промышленности.
Получают пероксиды прокаливанием металлов на воздухе, освобождённом отуглекислого газа.
Также известенозонид калияKO3, оранжево-красного цвета. Получить его можно взаимодействием гидроксида калия созономпри температуре не выше +20 °C:
Озонид калия является очень сильным окислителем, например, окисляетэлементарную серудосульфатаидисульфатауже при +50 °C:
Гидроксид калия (илиедкое кали) представляет собой твёрдые белые непрозрачные, оченьгигроскопичныекристаллы, плавящиеся при температуре 360 °C. Гидроксид калия относится кщелочам. Он хорошо растворяется в воде с выделением большого количества тепла. Растворимость едкого кали при +20 °C в100 гводы составляет112 г.
Большинство солей калия растворимы в воде, так как он являетсящелочным металлом. Существует лишь несколько малодиссоциирующих солей калия, которые в результатереакций ионного обменаспособны образовывать осадок. В частности, катионы калия в водном растворе взаимодействуют:
Калий — важнейшийбиогенный элемент, особенно в растительном мире. При недостатке калия в почве растения развиваются очень плохо, уменьшается урожай, поэтому около 90 % добываемых солей калия используют в качестве удобрений.
Калий в качестве катиона наряду с катионами натрия является базовым элементом так называемогонатрий-калиевого насосаклеточной мембраны, который играет важную роль в проведениинервных импульсов.
Калий содержится большей частью вклетках, до 40 раз больше, чем в межклеточном пространстве. В процессе функционирования клеток избыточный калий покидаетцитоплазму, поэтому для сохранения концентрации он должен нагнетаться обратно при помощинатрий-калиевого насоса. Калий инатриймежду собой функционально связаны и выполняют следующие функции:
Рекомендуемая суточная норма потреблениякалия составляет для детей от 600 до 1700 миллиграммов, для взрослых — от 1800 до 5000 миллиграммов. Потребность в калии зависит от массы тела, физической активности, физиологического состояния иклиматаместа проживания.Рвота, продолжительныепоносы, обильноепотовыделение, использованиемочегонных средствповышают потребность организма в калии.
Основными пищевыми источниками калия являютсябобы(в первую очередьфасоль белая),шпинат,капуста,финики,картофель,батат,сушёные абрикосы,дыня,киви,авокадо,помело,бананы,брокколи,печень,молоко,ореховое масло,цитрусовые,виноград. Калия достаточно много врыбеимолочных продуктах.
Практически все сорта рыбы содержат более200 мгкалия на100 г. Количество калия в разных видах рыбы различается.
Овощи,грибыи травы также содержат много калия, однако в консервированных продуктах его уровень может быть гораздо меньше. Много калия содержится вшоколаде.
Всасывание происходит в тонкомкишечнике. Усвоение калия облегчаетвитамин B6, затрудняет —алкоголь.
При недостатке калия развиваетсягипокалиемия. Возникают нарушения работысердечнойи скелетноймускулатуры. Продолжительный дефицит калия может быть причиной остройневралгии.
При избытке калия развиваетсягиперкалиемия, для которой основным симптомом являетсяязватонкого кишечника. Настоящая гиперкалиемия может вызвать остановку сердца.
Природный калий состоит из трёхизотопов. Два из них стабильны:K (изотопная распространённость93,258 %) иK (6,730 %). Третий изотопK(0,0117 %) являетсябета-активнымспериодом полураспада1,251 миллиарда лет. Природная бета-радиоактивность калия была открытаН. КемпбелломиА. Вудомв 1906 году с помощью ионизационного метода. Сравнительно малый период полураспада и большая распространённость калия по сравнению с ураном и торием означает, что на Земле ещё 2 млрд лет назад и ранее калий-40 вносил главный вклад в естественный радиационный фон. В каждом грамме природного калия в секунду распадается в среднем31,0±0,3 ядраK, благодаря чему, например, в организме человека массой70 кгежесекундно происходит около 4000 радиоактивных распадов. Поэтому легкодоступные в быту соединения калия (поташ,хлорид калия,калийная селитраи т. д.) можно использовать как пробные радиоактивные источники для проверки бытовыхдозиметров.K наряду с ураном и торием считается одним из основных источников геотермальной энергии, выделяемой в недрахЗемли(полная скорость энерговыделения оценивается в40—44 ТВт). В минералах, содержащих калий, постепенно накапливаетсяAr, один из продуктов распада калия-40, что позволяет измерять возраст горных пород;калий-аргоновый методявляется одним из основных методовядерной геохронологии.
Один из искусственных изотопов —K, — с временем полураспада 1,23651 секунды, применяется в экспериментах по изучениюслабого взаимодействиявСтандартной модели.