Kalij

Kalij () jest hemijski element sa simbolom K i atomskim brojem 19. Elementarni kalij mehki je srebreno-sjajni alkalni metal, koji burno oksidira u prisustvu zraka i veoma je reaktivan s vodom, dajući dovoljno toplote da zapali vodik koji se oslobađa u toj reakciji.

Budući da su kalij i natrij hemijski dosta slični, prošlo je dosta vremena prije nego što su njihove soli pravilno identificirane. Da je riječ o različitim elemenata u tim solima naslućeno je još 1702, a to je dokazano tek 1807, kada su kalij i natrij pojedinačno izolirani iz različitih soli putem elektrolize. Kalij se u prirodi pojavljuje samo u ionskim solima. Kao takav, nađen je rastvoren u morskoj vodi (gdje je po težini zastupljen približno 0,04%) te kao dio mnogih minerala.

Brojne industrijske hemijske aplikacije kalija se zasnivaju na relativno velikoj rastvorljivosti kalijevih spojeva u vodi, poput kalijevih sapuna. Kalij kao metal se koristi samo rijetkim situacijama, a u mnogim hemijskim reakcijama zamijenjen je metalnim kalcijem.

Ioni kalija neophodni su za život svih živih ćelija. Difuzija iona kalija ključni je mehanizam u prijenosu impulsa kroz nervne ćelije, a nedostatak kalija u organizmima, naročito kod životinja i ljudi, rezultira brojim srčanim problemima. Kalij se u znatnim koncentracijama može naći unutar biljnih ćelija, pogotovo u voću. Visoka koncentracija kalija u biljkama, pogotovo kada je u njima relativno malo natrija, rezultirala je time da je kalij prvo izoliran iz pepela nekih biljaka, što je kasnije dalo i ime elementu u engleskom jeziku potassium (od potash – pepeo nastao sagorijevanjem drveta). Iz istog razloga, proizvodnja poljoprivrednih proizvoda intenzivno crpi kalij iz zemljišta, pa se za umjetna gnojiva utroši približno 95% svjetske hemijske proizvodnje kalija i kalijevih spojeva.

Stabilni izotopi su 39K i 41K. Važan nestabilni izotop je 40K, iz kojeg zavisno od načina promjene nastaje 40Ar ili 40Ca.

 Historija 
Elementarni kalij i njegove soli (kao izdvojeni spojevi od ostalih soli) nisu bili poznati u doba Rimskog carstva, a latinsko ime elementa ne potiče iz klasičnog latinskog nego iz neo-latinskog. Latinsko ime kalium je izvedeno iz riječi alkalni, što je dalje došlo iz arapskog al-qalyah (), pepeo biljke. Sličan pojam u engleskom jeziku, alkali ima isti korjen (kalij u modernom arapskom jeziku se naziva butasyum ()).

Ime za element na engleskom jeziku potassium je izvedeno iz riječi potaša, aludirajući na metod na koji se potaša pravi - otapanjem pepela nastalog sagorijevanjem drva ili lišća te isparavanjem nastalog rastvora. Potaša je uglavnom mješavina kalijevih soli jer biljke imaju vrlo malo ili nikako natrija, dok se veći dio ostalog mineralnog sadržaja biljaka odnosi na kalcijeve soli relativno nerastvorljive u vodi. Iako se potaša koristila od antičkog vremena, veći dio historije nije bilo poznato da se radi o materiji različitoj od natrijevih mineralnih soli. Georg Ernst Stahl je tokom eksperimenta 1702. godine pokazao da moguće postojanje bitnih razlika između kalijevih i natrijevih soli, dok je Henri Louis Duhamel du Monceau te pretpostavljene razlike i dokazao 1736. godine. Tačni hemijski sastavi kalijevih i natrijevih spojeva i status hemijskih elemenata kalija i natrija nisu bili poznati sve dok Antoine Lavoisier nije uključio alkali u svoj spisak hemijskih elemenata iz 1789. godine.

Humphry Davy je prvi izolirao metalni kalij 1807. u Engleskoj, tako što ga je izdvojio iz kalij-hidroksida (KOH, kaustične potaše) putem elektrolize istopljenih soli pomoću, tada novootkrivenog Voltinog stupa. Kalij je prvi metal koji je izoliran putem elektrolize. Kasnije, iste godine, Davy je objavio da je izdvojio drugi metal, natrij, iz mineralnog derivata (kaustične sode, NaOH) umjesto soli biljaka putem slične tehnike, dokazujući da je riječ o drugačijem elementu i solima. Iako je proizvodnja metalnog kalija i natrija dokazala da su oba elementi, prošlo je dosta vremena prije nego što je to općenito prihvaćeno u nauci.

Dugo je jedina važnija primjena potaše bila u proizvodnji stakla, sredstva za izbjeljivanje i sapuna. Kalijevi sapuni iz životinjskih masti i biljnih ulja su posebno bili na cijeni pošto su se mogli više rastvarati u vodi i imali su nježniju teksturu, te su bili poznati kao mehki sapuni. Otkriće Justus Liebiga 1840. pokazalo je da je kalij neophodan element za biljke i da su brojne vrste zemljišta siromašne njim. To je dovelo do ogromnog rasta potražnje za kalijevim solima. Prvobitno kao izvor kalijevih soli korištenih kao umjetno gnojivo uzimao se pepeo drveta nekih vrsta bora, međutim nakon što su 1868. otkriveni veliki depoziti minerala koji sadrži kalij-hlorid u blizini njemačkog grada Staßfurta, počela je proizvodnja kalijevih umjetnih gnojiva u industrijskim količinama. Kasnije su otkriveni i drugi depoziti potaše, a tokom 1960-ih Kanada je postala najdominantniji proizvođač.

 Osobine 
 Fizičke 
Atomi kalija imaju 19 elektrona, što je za samo jedan više od izuzetno stabilne konfiguracije argona. Zbog toga, vrlo je lahko da atom kalija izgubi jedan elektron viška nego da dobije jedan; u svakom slučaju, poznati su alkalni ioni, K–. Zbog niske prve ionizacijske energije (418,8 kJ/mol), atom kalija vrlo lahko gubi jedan elektron i oksidira u monopozitivni kation K+. Ovaj proces zahtijeva tako malo energije da se kalij može oksidirati u atmosferskom kisiku. Nasuprot tome, druga ionizacijska energija je izuzetno visoka (3052 kJ/mol), zato što otpuštanjem dva elektrona razbija elektronsku konfiguraciju plemenitog plina. Zbog toga kalij ne formira jedinjenja sa oksidacijskim brojem +2 ili višim.

Kalij je, poslije litija metal sa najmanjom gustoćom. To je mehki metal sa niskom tačkom topljenja i može se lahko rezati nožem. Svježe odrezani kalij ima srebrenasti izgled, međutim veoma brzo počinje da blijedi i postaje siv nedugo nakon što je izložen na zraku. Pri testu bojenja plamena, kalij i njegovi spojevi emitiraju ljubičastu boju sa najvišim vrhom emisionog spektra na 766,5 nm.

 Hemijske 
Kalij je ekstremno aktivan metal, koji burno reagira sa kisikom i vlagom iz zraka. U dodiru sa kisikom pretvara se u kalij-peroksid a sa vodom u kalij-hidroksid. Reakcija kalija sa vodom je opasna zbog svog burnog egzotermičkog karaktera i otpuštanja plina vodika. Vodik dalje reagira sa vodom čak ako je prisutna i u tragovima; zbog toga kalij i njegova tečna legura sa natrijem su jaki isušivači (desikanti) koji se mogu koristiti za sušenje rastvora prije destilacije

Zbog osjetljivosti kalija na vodu i zrak, reakcije kalija su moguće samo u inertnoj atmosferi, poput plina argona koristeći tehnike bez prisustva zraka. Kalij ne reagira sa većinom ugljikovodika, poput mineralnih ulja ili kerozina. Dobro se rastvara u tečnom amonijaku u količini od 480 g na 1000 g amonijaka pri temperaturi od 0 °C. U zavisnosti od koncentracije, otopine kalija u amonijaku su od plave do žute nijanse, a njihova električna provodljivost je slična kao i kod tečnih metala. U čistom rastvoru, kalij sporo reagira sa amonijakom formirajući KNH2, međutim ova reakcija se može ubrzati dodavanjem manjih količina soli tranzicijskih metala. On se može reducirati soli do metala; kalij se često koristi kao sredstvo za redukciju i dobijanje fino odvojenih metala iz njihovih soli putem Riekeve metode. Naprimjer, dobijanje magnezija putem Riekeve metode zahtjeva korištenje kalija kao redukcionog sredstva:

MgCl2 + 2 K → Mg + 2 KCl

 Izotopi 

Postoje 24 poznata izotopa kalija, od kojih se tri pojavljuju u prirodi: 39K (udio 93,3%), 40K (udio 0,0117%) i 41K (udio 6,7%). Kalij 40K koji se pojavljuje u prirodi ima vrijeme poluraspada od 1,25×109 godina. On se raspada bilo na stabilni 40Ar putem emisije pozitrona ili elektronskog zahvata (11,2%) ili na stabilni 40Ca putem beta raspada (88,8%).

Raspad 40K do 40Ar omogućava upotrebu poznate metode za određivanje starosti kamenja i stijena. Konvencionalna metoda određivanja starosti pomoću K-Ar polazi od pretpostavke da stijene nisu sadržavale argon u vrijeme svog stvaranja tako da je sav naknadni radiogenski argon (tj. 40Ar) količinski ostao. Starost minerala se određuje mjerenjem koncentracije kalija i količine radiogenskog argona 40Ar koji je uskladišten. Najpogodniji minerali za određivanje starosti uključuju biotit, muskovit, metamorfska hornblenda i vulkanski feldspat; cijeli uzorak stijene počev od vulkanske lave i plitkih magmatskih stijena također može biti starosno analiziran ako nije naknadno izmijenjen. Pored određivanja starosti, izotopi kalija se koriste i kao radioaktivni traseri u studijama eluvijalnog procesa i ciklusa hranjivih materija jer je kalij makronutrijent neophodan za život.

40K se pojavljuje u prirodnoj smjesi kalija (i nekim komercijalnim zamjenama za so) u dovoljnim količinama da se ti supstituti mogu koristiti kao radioaktivni izvor za školske potrebe. U zdravim životinjama i ljudima, izotop 40K predstavlja jedan od najvećih izvora radioaktivnosti, veći čak i od izotopa 14C. U ljudskom tijelu od otprilike 70 kg mase, desi se oko 4.400 raspada jezgara atoma 40K u sekundi. Aktivnost prirodnog kalija je 31 Bq/g.

 Rasprostranjenost 
mini|desno|Kalij u feldspatu
mini|lijevo|Soli kalija boje plamen ružičasto
Kalij se formira u svemiru putem nukleosinteze iz lakših atoma. Stabilni oblik kalija se stvara u supernovi putem eksplozivnog procesa sagorijevanja kisika.

Elementarni kalij se ne pojavljuje u prirodi zato što burno reagira u kontaktu sa vodom. U raznim spojevima, kalij čini oko 2,6% težine Zemljine kore i sedmi je najrasprostranjeniji element, podjednako zastupljen kao i natrij kojeg ima oko 1,8% Zemljine kore. U morskoj vodi, kalij sa 0,39 g/l je daleko manje zastupljen od natrija (10,8 g/l).

Ortoklas (kalij feldspat) je obični mineral koji gradi stijene. Granit naprimjer sadrži oko 5% kalija, što je daleko više od prosjeka u Zemljinoj kori. Silvit (KCl), karnalit (KCl·MgCl2·6(H2O)), kainit (MgSO4·KCl·3H2O) i langbeinit (MgSO4·K2SO4)) su minerali koji se nalaze u velikim evaporatnim depozitima širom svijeta. Depoziti često imaju slojeve počev sa najmanje rastvorljivim na dnu i najviše rastvorljivom na vrhu. Depoziti nitrata (kalij-nitrat) se formiraju dekompozicijom organskog materijala u kontaktu sa zrakom, uglavnom u pećinama; zbog dobre rastvorljivosti nitrata u vodi formiranje većih depozita zahtijeva posebne uslove okoline.

 Upotreba 
 Gnojivo 
Ioni kalija su neophodni sastojci za rast biljaka i mogu se naći u mnogim vrstama zemljišta. Oni se koriste kao gnojiva u poljoprivredi, hortikulturi i hidroponskim kulturama u obliku kalij-hlorida (KCl), kalij-sulfata (K2SO4) ili kalij-nitrata (KNO3). Za proizvodnju poljoprivrednih gnojiva troši se oko 95% ukupne hemijske industrijske proizvodnje kalija a 90% ponude čini kalij u obliku KCl. Sadržaj kalija u većini biljaka se kreće od 0,5% do 2% od ukupne težine plodova, obično se izražava kao količina K2O. Moderna poljopriveda koja daje visoke prinose mnogo zavisi od gnojiva koja nadoknađivaju gubitak kalija tokom rasta kultura. U 2005. godini oko 93% svjetske proizvodnje kalijevih spojeva je utrošeno u industriji gnojiva.

 Hrana 
Kationi kalija su nutritijenti neophodni za ljudski život i zdravlje. Kalij-hlorid se koristi kao zamjena za običnu kuhinjsku so kod osoba koje moraju smanjiti unos natrija kao jedan od načina kontrole hipertenzije. U SAD, Agencija za kontrolu hrane i lijekova smatra paradajz, sok od narandže, bijeli grah, krompir i banane najveće izvore kalija u ishrani.

Kalij-natrij-tartrat (KNaC4H4O6, Rochelleova so) je glavni sastojak praška za pecivo; također se koristi i za posrebravanje ogledala. Kalij-bromat (KBrO3) je jako oksidaciono sredstvo (E924) i koristi se kao učvršćivač. Kalij-bisulfit KHSO3 se koristi za čuvanje i konzerviranje hrane naprimjer u vinu i pivu (ali ne i mesu). Pored toga, koristi se za izbjeljivanje tekstila i štavljenja kože.

 Spojevi 
Jedina valencija kalija je +1. Metalni kalij je veoma snažno redukciono sredstvo koje se lahko oksidira na monopozitivni kation K+. Jednom oksidiran, on je izuzetno stabilan i teško se ponovo reducira do metala. Kalij-hidroksid lahko reagira s ugljik-dioksidom dajući kalij-karbonat koji je koristan za uklanjanje tragova gasova iz zraka. Općenito, spojevi kalija imaju odličnu rastvorljivost u vodi, koja se objašnjava visokom energijom hidratacije K+ iona. Ioni kalija su bezbojni u vodi i izuzetno teško se talože; moguće metode taloženja uključuju reakcije sa natrij-tetrafenilboratom, heksahloroplatinskom kiselinom i natrij-kobaltnitritom. Važno jedinjenje za hemiju je također i kalij-permanganat.

Kalij oksidira dosta brže od većine metala i formira okside putem O-O veza, kao i svi alkalni metali osim litija. Tri vrste oksida se formiraju tokom reakcije: kalij-oksid, kalij-peroksid i kalij-superoksid, koji sadrže tri različita iona zasnovana na kisiku: kisik (O2-), peroksid (O22-) i superoksid (O2-). Posljednje dvije vrste, naročito superoksid su veoma rijetke i grade se samo u reakcijama sa veoma elektropozitivnim metalima; te vrste sadrže kisik-kisik veze. Svi binarni kalij-kisik spojevi burno reagiraju sa vodom dajući kalij-hidroksid. Ovaj spoj je jaka alkalna baza, u vodi se može rastvoriti u količini od 1,21 kg po litru vode.Schultz, str. 94
mini|lijevo|Struktura čvrstog kalij-superoksida (KO2).

 U vodenim rastvorima 
Kalijevi spojevi su obično izrazito ionski i zbog toga je većina njih rastvorljiva u vodi. Osnovne vrste u vodi su akvakompleksi [K(H2O)n]+ gdje je n = 6 i 7. Nekoliko soli je slabo rastvorljivo u vodi uključujući kalij-tetrafenilborat, kalij-heksahloroplatinat i kalij-kobaltnitrit.

 Biološki značaj 

mini|desno|300px|Djelovanje natrij-kalij pumpe je primjer primarnog aktivnog trasporta. Dva nosača proteina lijevo koriste ATP za prijenos natrija izvan ćelije protiv koncentracije gradijenta. Proteini desno koriste sekundarni aktivni transport za prijenos kalija u ćeliju.

Kalij je osmi ili deveti najčešći element po masi (0,2%) u ljudskom tijelu, tako da odrasla osoba teška oko 60 kg ima u sebi oko 120 g kalija. Ljudsko tijelo ima toliko kalij kao i naprimjer sumpora i hlora, a od osnovnih minerala samo kalcija i fosfora ima više.

Kationi kalija su važni za neurološke funkcije u organizmu (mozak i nerve) i utiče na osmotski balans između ćelija i međućelijske tekućine, a regulira njihovu distribuciju u svim životinjama (ali ne i biljkama) putem takozvane pumpe Na+/K+-ATPaze. Ova ionska pumpa koristi ATP za pumpanje tri natrijeva iona iz ćelije i dva kalijeva iona u ćeliju gradeći time elektrohemijski gradijent preko ćelijske membrane. Pored toga, visoko selektivni kanali kalijevih iona (koji su tetrameri) su od najvećeg značaja za hiperpolarizaciju, naprimjer kod neurona nakon što je potencijalna akcija otpočela. Kalij se može osjetiti putem čula ukusa pošto on izaziva tri od pet vrsta uzbuđenja čula ukusa sve u zavisnosti od koncentracije.

 Reference 

 Literatura 





 Vanjski linkovi 

 Kalij ubačen u vodu (YouTube)


Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Alkalni metali
Kategorija:Dijetetski minerali
Kategorija:Piroforni materijali
Kategorija:Isušivači
Kategorija:Reducensi