Kali

Lịch sử

Không phải các muối kali hay natri (với tư cách tách biệt với các loại muối hóa học khác) đã từng được biết đến trong thời kỳ La Mã, và tên gọi Latin của nguyên tố này không phải gốc Latin cổ điển mà là Tân Latin. Tên Latin kalium được chọn từ từ "alkali" đã được chuyển tự từ tiếng Ả Rập: القَلْيَه‎ al-qalyah nghĩa là "tro thực vật". Thuật ngữ alkali phát âm tương tự trong tiếng Anh cũng có cùng gốc này (potassium trong tiếng Ả Rập chuẩn hiện đại là بوتاسيوم būtāsyūm).
Tên tiếng Anh của nguyên tố này là potassium bắt nguồn từ từ "potash", đề cập đến một phương pháp mà theo đó potash thu được bằng cách lọc sạch tro gỗ hoặc lá cây và làm bay hơi dung dịch trong một cái nồi. Potash về bản chất là một hỗn hợp muối kali do thực vật có chứa một ít hoặc không có hàm lượng natri, và phần còn lại của khoáng chất trong thực vật bao gồm các muối canxi có tính hòa tan tương đối thấp. Trong khi kali đã từng được sử dụng từ thời kỳ cổ đại, nhưng nó không được biết đến trong suốt bề dày lịch sử là một chất khác biệt về cơ bản với các muối natri. Georg Ernst Stahl đã thu được bằng chứng thực nghiệm cho phép ông kết luận sự khác biệt của các muốn natri và kali vào năm 1702, và Henri Louis Duhamel du Monceau đã có thể chứng minh sự khác biệt này vào năm 1736. Thành phần hóa học chính xác của các hợp chất natri và kali, và trạng thái nguyên tố natri và kali đã không được biết đến, và do đó Antoine Lavoisier đã không xếp alkali vào trong danh sách các nguyên tố hóa học của ông năm 1789.
Kim loại kali đã được Sir Humphry Davy phát hiện năm 1807, ông tách nó ra từ bồ tạt ăn da (KOH). Kim loại kiềm này là kim loại đầu tiên được điều chế bằng điện phân muối nóng chảy với một pin Volta được phát hiện mới nhất. Kali là kim loại đầu tiên được điều chế bằng phương pháp điện phân. Cùng năm đó, Davy đã thông báo về việc tách natri kim loại từ một dẫn xuất khoáng vật (Natri hiđroxit, NaOH, hay lye) chứ không phải muối thực vật cũng bằng kỹ thuật tương tự, và ông đã minh họa rằng các nguyên tố tách ra từ các muối này là khác nhau. Mặc dù việc sản xuất kim loại kali và natri đã cho thấy rằng chúng là các nguyên tố nhưng phải mất một khoảng thời gian trước khi đề xuất này được công nhận rộng rãi.
Trong một thời gian dài các ứng dụng potash chỉ dùng trong việc sản xuất thủy tinh, thuốc tẩy và xà phòng. Xà phòng kali từ mỡ động vật và dầu thực vật có giá rất cao, do chúng có khuynh hướng hòa tan nhiều hơn trong nước và mềm hơn, nên được gọi là xà phòng mềm. Phát hiện của Justus Liebig năm 1840 cho thấy rằng kali là nguyên tố cần thiết cho thực vật và hầu hết loại đất đều thiếu kali đã làm gia tăng nhu cầu các muối kali. Tro gỗ từ các loại cây linh sam ban đầu được sử dụng như một nguồn cung cấp muối kali ở dạng phân bón, nhưng với việc phát hiện năm 1868 về các mỏ chứa kali clorua gần Staßfurt, Đức thì sản lượng phân bón kali bắt đầu được sản xuất ở quy mô công nghiệp. Các mỏ potash khác dần được phát hiện, và vào thập niên 1960 Canada trở thành nước sản xuất nguồn kali chính trên thị trường quốc tế.

Màng phân cực

Kali cũng có vai trò quan trọng trong chống co cơ và việc gởi tất cả các xung động thần kinh ở động vật qua các tiềm năng hành động (Action potential). Do bản chất của tính điện và hóa của chúng, các ion K⁺ lớn hơn các ion Na⁺, và các kênh và các bơm ion trong các màng tế bào có thể phân biệt giữa hai loại ion này, bơm chủ động hay cho phép đi qua thụ động một trong hai ion đồng thời ngăn cản ion còn lại.
Sự thiếu hụt kali trong các dung dịch trong cơ thể có thể gây ra các tình trạng có thể tử vong như thiếu kali máu, đặc biệt gây nôn mửa, tiêu chảy, và/hoặc tăng bài tiết niệu đạo. Các triệu chứng thiếu hụt kali gồm yếu cơ, liệt ruột, bất thường ECG (điệm tâm đồ), giảm phản xạ và trong các trường hợp nghiêm trọng có thể gây liệt hô hấp, alkalosis và rối loạn nhịp tim.

Cung cấp vừa đủ

Cung cấp vừa đủ lượng kali để hỗ trợ sự sống có thể qua việc ăn nhiều loại thực phẩm. Những trường hợp thiếu kali rõ ràng (như các triệu chứng, dấu hiện và hàm lượng nguyên tố trong máu thấp hơn bình thường) thì hiếm gặp ở những cá thể khỏe mạnh. Các loài thực phẩm giàu kali như khoai, rau mùi tây, mơ khô, sữa khô, sô cô la, nhiều loại hạt (đặc biệt là hạnh nhân và hồ trăn), khoai tây, măng, chuối, bơ, nước dừa, đậu nành, và cám, mặc dù nó cũng có với một lượng vừa đủ trong hầu hết trái cây, rau, thịt và cá.

Cung cấp tối đa

Các nghiên cứu dịch tễ học và các nghiên cứu ở động vật về bệnh cao huyết áp chỉ ra rằng khẩu phần ăn có nhiều kali có thể giảm nguy cơ cao huyết áp và đột quỵ (theo một cơ chế độc lập về huyết áp), và việc thiếu hụt kali kết hợp với không cung cấp đủ thiamin đã tạo ra bệnh tim ở chuột. Có một vài tranh cãi liên quan đến lượng cung cấp kali tối đa trong khẩu phần ăn. Ví dụ, các hướng dẫn năm 2004 của Viện Y học Hoa Kỳ (Institute of Medicine) chỉ ra rằng DRI (Dietary reference intake) 4.000 mg kali (100 mEq), mặc dù hầu hết người Mỹ tiêu thụ chỉ phân nửa lượng trên mỗi ngày, điều này có thể làm cho họ thiếu kali liên quan đến hướng dẫn trên. Tương tự như thế, ở các nước EU đặc biệt là ở Đức và Ý, kali cung cấp không đủ là khác phổ biến. Các nhà nghiên cứu người Ý, trong một báo cáo năm 2011 khi phân tích rằng khi cung cấp một lượng kali cao hơn 1,64 g mỗi ngày có sự liên hệ với việc giảm 21% nguy cơ đột quỵ.

Phân bón

Các ion kali là thành phần thiết yếu trong dinh dưỡng thực vật và được tìm thấy trong hầu hết các loại đất. Chúng được dùng làm phân bón cho nông nghiệp, trồng trọt và thủy canh ở dạng kali clorua (KCl), kali sulfat (K₂SO₄), hoăc nitrat (KNO₃). Phân bón nông nghiệp tiêu thụ 95% các hóa phẩm của kali trên toàn cầu, và khoảng 90% kali được cung cấp ở dạng KCl. Thành phần kali trong hầu hết thực vật dao động từ 0,5% đến 2% khối lượng các vụ mùa, thường ở dạng K₂O. Các vụ mùa năng suất cao phụ thuộc vào lượng phân bón để bổ sung cho lượng kali mất đi do thực vật hấp thu. Hầu hết phân bón chứa kali clorua, trong khi kali sulfat được dùng cho các vụ mùa nhạy cảm với clorua hoặc vụ mùa cần lượng lưu huỳnh cao hơn. Kali sulfat được tạo ra chủ yếu bằng sự phân giải các khoáng phức của kainit (MgSO₄·KCl·3H₂O) và langbeinit (MgSO₄·K₂SO₄). Chỉ có rất ít phân bón chứa kali nitrat. Trong năm 2005, khoảng 93% sản lượng kali trên thế giới đã được tiêu thụ bởi các ngành công nghiệp phân bón.

Thực phẩm

Cation kali là dưỡng chất thiết yếu cho con người và sức khỏe. Kali clorua được dùng thay thế cho muối ăn nhằm giảm lượng cung cấp natri để kiểm soát bệnh cao huyết áp. USDA liệt kê pa tê cà chua, nước cam, củ cải đường, đậu trắng, cà chua, chuối và nhiều nguồn thức ăn khác cung cấp kali được xếp theo mức độ giảm dầm hàm lượng kali.
Kali natri tartrate (KNaC₄H₄O₆, Rochelle salt) là một thành phần chính của bột nở; nó cũng được sử dụng trong các gương mạ bạc. Kali bromat (KBrO₃) là một chất ôxy hóa mạnh (E924), được dùng để tăng độ dẻo và độ nở cao của bột bánh mì. Kali bisulfit (KHSO₃) được dùng làm chất bảo quản thực phẩm, như trong rượu vang và bia (nhưng không có trong thịt). Nó cũng được sử dụng để tẩy trong dệt-nhuộm và thuộc da.

Công nghiệp

Các chất hóa học kali chính là kali hydroxit, kali cacbonat, kali sulfat, và kali clorua. Hàng triệu tấn các hợp chất này được sản xuất mỗi năm.
Kali hydroxit KOH là một ba-zơ mạnh, được dùng ở mức độ công nghiệp để trung hòa các a-xít mạnh và yếu, để khống chế pH và để sản xuất các muối kali. Nó cũng được dùng để làm bánh xà phòng từ mỡ và dầu trong công nghiệp tẩy rửa và trong các phản ứng thủy phân như các este.
Kali nitrat (KNO₃) được lấy từ các nguồn tự nhiên như guano và evaporit hoặc được sản xuất từ công nghệ Haber; nó là một chất ôxy hóa trong thuốc súng (thuốc súng đen) và là một loại phân bón quan trọng. Kali cyanua (KCN) được dùng trong công nghiệp để hòa tan đồng và các kim loại quý, đặc biệt là bạc và vàng, bằng cách tạo ra ở dạng phức chất. Những ứng dụng của nó gồm khai thác vàng, mạ điện, và đúc điện (electroforming) của các kim loại này; nó cũng được dùng trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra nitriles. Kali cacbonat (K₂CO₃ hay potash) được dùng trong sản xuất thủy tinh, xà phòng, ống phóng màn hình màu, đèn huỳnh quan, dệt nhuộm và chất tạo màu. Kali permanganat (KMnO₄) là một chất ôxi hóa, có tính tẩy mạnh và được sử dụng trong sản xuất saccharin. Kali clorat (KClO₃) được cho vào vật liệu nổ. Kali bromua (KBr) đước đây được sử dụng làm thuốc an thầnh và trong nhiếp ảnh.
Kali cromat (K₂CrO₄) được dùng trong mực, nhuộm, chất tạo màu (màu vàng đỏ sáng); trong chất nổ và pháo hoa; trong thuộc da, trong giấy bẫy ruồi và diêm an toàn, tất cả các ứng dụng trên do tính chất của ion cromat hơn là các ion kali.
Hợp kim NaK với điểm nóng chảy thấp và sức căng bề mặt cao được dùng làm chất làm mát trong một số lò phản ứng hạt nhân nhanh và vệ tinh ra đa RORSAT của Liên Xô.

Trong phòng thí nghiệm

Hợp kim của natri và kali, NaK ở dạng chất lỏng được dùng làm chất trung gian truyền nhiệt và làm chất hút ẩm để tạo ra một môi trường không khí khô. Nó có thể được sử dụng trong phản ứng chưng cất. Hợp kim gồm 12% Na, 47% K và 41% Cs có nhiệt độ nóng chảy −78 °C, thấp nhất trong tất cả các hợp chất kim loại.
Kali kim loại được dùng ở nhiều dạng khác nhau trong từ kế.