КАЛИЙ: ИСТОРИЯ, СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, РЕАКЦИИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Калия представляет собой щелочной химический символ К. Его атомный номер 19 и расположен ниже натрия в периодической таблице. Это мягкий металл, который можно разрезать даже ножом. Кроме того, он довольно легкий и может плавать в жидкой воде, активно реагируя.

Только что разрезанный, он имеет очень яркий серебристо-белый цвет, но на воздухе быстро окисляется и теряет свой блеск, становясь сероватым (почти синеватым, как на изображении ниже).

Частично окисленные кусочки калия хранятся в минеральном масле. Источник: 2 × 910

Калий взрывно реагирует с водой с образованием гидроксида калия и газообразного водорода. Именно этот газ ответственен за взрывоопасность реакции. Когда он горит в зажигалке, его возбужденные атомы окрашивают пламя в интенсивный сиреневый цвет; это один из его качественных тестов.

Это седьмой по содержанию металл в земной коре и составляет 2,6% от ее веса. Он содержится в основном в вулканических породах, сланцах и отложениях, а также в таких минералах, как сильвит (KCl). В отличие от натрия, его концентрация в морской воде невысока (0,39 г / л).

Калий был выделен в 1807 году английским химиком сэром Хамфри Дэви путем электролиза раствора его гидроксида КОН. Этот металл был первым, который был выделен электролизом, и Дэви дал ему английское название калий.

Однако в Германии для обозначения металла использовалось название калий. Именно от этой фамилии происходит буква «К», которая используется как химический символ калия.

Сам металл практически не используется в промышленности, но дает множество полезных соединений. Однако с биологической точки зрения это гораздо важнее, так как это один из важнейших элементов нашего организма.

Например, у растений он способствует фотосинтезу, процессу осмоса. Он также способствует синтезу белка, тем самым способствуя росту растений.

История

Поташ

С древних времен человек использовал калий в качестве удобрения, игнорируя существование калия, не говоря уже о его связи с калием. Его готовили из золы стволов и листьев деревьев, в которую добавляли воду, которая позже испарялась.

Овощи содержат в основном калий, натрий и кальций. Но соединения кальция плохо растворяются в воде. По этой причине калий был концентратом соединений калия. Слово происходит от сокращения английских слов pot и ash.

В 1702 г. Г. Эрнст Шталь предложил различие между солями натрия и калия; Это предположение было подтверждено Генри Дюамелем дю Монсо в 1736 году. Поскольку точный состав солей не был известен, Антуан Лавуазер (1789) решил не включать щелочи в список химических элементов.

открытие

В 1797 году немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил калий в минералах лейците и лепидолите, поэтому он пришел к выводу, что это продукт не только растений.

В 1806 году английский химик сэр Хамфри Дэви обнаружил, что связь между элементами соединения имеет электрическую природу.

Затем Дэви выделил калий электролизом гидроксида калия, наблюдая за глобулами металлического блеска, которые накапливались на аноде. Он назвал металл английским этимологическим словом калий.

В 1809 году Людвиг Вильгельм Гилберт предложил название калий (калий) для калия Дэви. Берцелиус использовал название калий, чтобы присвоить калию химический символ «К».

Наконец, Юстус Либих в 1840 году обнаружил, что калий является необходимым элементом для растений.

Строение и электронная конфигурация калия

При нормальных условиях металлический калий кристаллизуется в объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуре. Он отличается своей тонкостью, что согласуется со свойствами калия. Атом K окружен восемью соседями прямо в центре куба, а остальные атомы K расположены в вершинах.

Эта фаза ОЦК также обозначается как фаза KI (первая). При повышении давления кристаллическая структура уплотняется до гранецентрированной кубической (ГЦК) фазы. Однако для того, чтобы этот переход произошел самопроизвольно, необходимо давление 11 ГПа.

Эта более плотная фаза ГЦК известна как K-II. При более высоких давлениях (80 ГПа) и более низких температурах (менее -120 ºC) калий приобретает третью фазу: K-III. K-III характеризуется своей способностью размещать другие атомы или молекулы в своих кристаллических полостях.

Есть также две другие кристаллические фазы при еще более высоких давлениях: K-IV (54 ГПа) и KV (90 ГПа). При очень низких температурах калий даже имеет аморфную фазу (с неупорядоченными атомами K).

Число окисления

Электронная конфигурация калия:

4с ¹

Орбиталь 4s является самой удаленной и поэтому имеет единственный валентный электрон. Теоретически это отвечает за металлическую связь, которая удерживает атомы K вместе, образуя кристалл.

Из одной и той же электронной конфигурации легко понять, почему калий обычно всегда (или почти всегда) имеет степень окисления +1. Когда он теряет один электрон на образование катиона K ⁺ , благородный газ аргон с его октетом полной валентности становится изоэлектронным.

В большинстве производных соединений калий считается K ⁺ (даже если его связи не являются чисто ионными).

С другой стороны, что менее вероятно, калий может получить электрон, имея два электрона на своей 4s-орбитали. Таким образом, металлический кальций становится изоэлектронным:

4с ²

Затем говорят, что он получил электрон и имеет отрицательную степень окисления -1. Когда эта степень окисления рассчитывается в соединении, предполагается существование аниона калия, K ^- .

Свойства

Внешность

Глянцевый белый серебристый металл.

Молярная масса

39,0983 г / моль.

Температура плавления

83,5 ° С.

Точка кипения

759 ° С.

плотность

-0,862 г / см ³ , при комнатной температуре.

-0,828 г / см ³ , при температуре плавления (жидкость).

Растворимость

Реагирует бурно с водой. Растворим в жидком аммиаке, этилендиамине и анилине. Растворим в других щелочных металлах с образованием сплавов и в ртути.

Плотность паров

1.4 по отношению к воздуху, принятому как 1.

Давление газа

8 мм рт. Ст. При 432 ° C.

стабильность

Устойчив, если он защищен от воздуха и влаги.

Коррозионная активность

Может вызывать коррозию при контакте с металлами. При попадании может вызвать ожоги кожи и глаз.

Поверхностное натяжение

86 дин / см при 100 ° C.

Теплота плавления

2,33 кДж / моль.

Теплота испарения

76,9 кДж / моль.

Молярная теплоемкость

29,6 Дж / (моль · К).

Электроотрицательность

0,82 по шкале Полинга.

Энергии ионизации

Первый уровень ионизации: 418,8 кДж / моль.

Второй уровень ионизации: 3,052 кДж / моль.

Третий уровень ионизации: 4420 кДж / моль.

Атомное радио

227 часов вечера.

Ковалентный радиус

203 ± 12 часов.

Термическое расширение

83,3 мкм / (м · К) при 25 ° C.

Теплопроводность

102,5 Вт / (мК).

Удельное электрическое сопротивление

72 нОм · м (при 25 ° C).

твердость

0,4 по шкале Мооса.

Природные изотопы

Калий присутствует в виде трех основных изотопов: ³⁹ K (93,258%), ⁴¹ K (6,73%) и ⁴⁰ K (0,012%, радиоактивный β-выброс).

Номенклатура

По умолчанию соединения калия имеют степень окисления +1 (за очень особыми исключениями). Поэтому в номенклатуре акций (I) в конце названий опускается; а в традиционной номенклатуре имена заканчиваются суффиксом -ico.

Например, KCl - это хлорид калия, а не хлорид калия (I). Его традиционное название - хлорид калия или монохлорид калия, согласно систематической номенклатуре.

В остальном, если это не очень распространенные названия или минералы (например, сильвин), номенклатура калия довольно проста.

Формы

Калий не встречается в природе в металлической форме, но его можно получить промышленным способом в этой форме для определенных целей. Он находится в основном в живых существах в ионной форме (K ⁺ ). В общем, это основной внутриклеточный катион.

Калий присутствует во многих соединениях, таких как гидроксид, ацетат или хлорид калия и т. Д. Также он входит в состав около 600 минералов, в том числе сильвита, алунита, карналита и др.

Калий образует сплавы с другими щелочными элементами, такими как натрий, цезий и рубидий. Он также образует тройные сплавы с натрием и цезием за счет так называемых эвтектических сплавов.

Биологическая роль

Растения

Калий вместе с азотом и фосфором составляет три основных элемента питания растений. Калий поглощается корнями в ионной форме: этому процессу способствует наличие соответствующих условий влажности, температуры и оксигенации.

Регулирует открытие и закрытие устьиц на листьях: активность, которая позволяет поглощать углекислый газ, который соединяется с водой во время фотосинтеза с образованием глюкозы и кислорода; Это агенты, вырабатывающие АТФ, которые составляют основной источник энергии для живых существ.

Он способствует синтезу некоторых ферментов, связанных с ростом растений, а также крахмала, вещества, запасающего энергию. Он также участвует в осмосе: процессе, необходимом для поглощения воды и минералов корнями; и в подъеме воды через ксилему.

Хлороз - это проявление дефицита калия у растений. Для него характерно то, что листья теряют зелень и желтеют, с обгоревшими краями; и, наконец, происходит дефолиация с задержкой роста растений.

Животные

У животных, как правило, основным внутриклеточным катионом является калий с концентрацией 140 ммоль / л; в то время как внеклеточная концентрация колеблется от 3,8 до 5,0 ммоль / л. 98% калия в организме находится во внутриклеточном пространстве.

Хотя потребление калия может варьироваться от 40 до 200 ммоль / день, его внеклеточная концентрация поддерживается постоянной за счет регуляции почечной экскреции. В этом участвует гормон альдостерон, регулирующий секрецию калия на уровне собирательных и дистальных канальцев.

Калий отвечает за поддержание внутриклеточной осмолярности и, следовательно, за поддержание целостности клеток.

Хотя плазматическая мембрана относительно проницаема для калия, ее внутриклеточная концентрация поддерживается за счет активности фермента Na, АТФазы (натриево-калиевый насос), который удаляет три атома натрия и вводит два атома калия.

Реполяризация клеток

Возбудимые клетки, состоящие из нейронов, поперечно-полосатых и гладкомышечных клеток; и поперечно-полосатые мышечные клетки, состоящие из клеток скелетных и сердечных мышц, все способны формировать потенциалы действия.

Внутренняя часть возбудимых клеток заряжена отрицательно по отношению к внешней части клетки, но при правильной стимуляции проницаемость плазматической мембраны клеток для натрия увеличивается. Этот катион проникает через плазматическую мембрану и делает внутреннюю часть клетки положительной.

Произошедшее явление называется потенциалом действия, который обладает рядом свойств, в том числе способным распространяться по нейрону. Команда, выдаваемая мозгом, передается в виде потенциалов действия к данной мышце, чтобы заставить ее сокращаться.

Для возникновения нового потенциала действия внутренняя часть клетки должна иметь отрицательный заряд. Для этого происходит выход калия изнутри клетки, возвращающий ей первоначальную отрицательность. Этот процесс называется реполяризацией, поскольку он является основной функцией калия.

Следовательно, считается, что формирование потенциалов действия и начало сокращения мышц - это общая ответственность натрия и калия.

Прочие функции

Калий выполняет другие функции у человека, такие как тонус сосудов, контроль системного артериального давления и перистальтика желудочно-кишечного тракта.

Повышение концентрации калия в плазме (гиперкалиемия) вызывает ряд симптомов, таких как беспокойство, тошнота, рвота, боль в животе и нарушения электрокардиограммы. Зубец Т, связанный с реполяризацией желудочков, высокий и широкий.

Этот рекорд объясняется тем, что по мере увеличения внеклеточной концентрации калия он медленнее покидает клетку, поэтому реполяризация желудочков происходит медленнее.

Снижение концентрации калия в плазме (гипокальциемия) проявляется, среди прочего, следующими симптомами: мышечная слабость, снижение перистальтики кишечника, снижение клубочковой фильтрации, сердечная аритмия и сглаживание зубца Т на электрокардиограмме.

Зубец Т укорачивается, так как за счет уменьшения внеклеточной концентрации калия его выход наружу клетки облегчается, а продолжительность реполяризации уменьшается.

Где добывается и добывается калий

Кристалл сильвита, который состоит практически из хлорида калия. Источник: Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Калий содержится в основном в магматических породах, сланцах и отложениях. Также в минералах, таких как мусковит и ортоклаз, которые нерастворимы в воде. Ортоклаз - это минерал, который обычно встречается в магматических породах и граните.

Калий также присутствует в водорастворимых минеральных соединениях, таких как карналит (KMgCl ₃ · 6H ₂ O), сильвит (KCl) и ландбейнит, которые встречаются в высохших озерах и на морском дне.

Кроме того, калий содержится в рассоле и в качестве продукта сжигания стволов и листьев растений в процессе производства поташа. Хотя его концентрация в морской воде невысока (0,39 г / л), он также используется для получения калия.

Калий присутствует в крупных месторождениях, таких как месторождение в Саскачеване, Канада, богатых минералом сильвитом (KCl) и способных производить 25% мирового потребления калия. Солевые сточные жидкости могут содержать значительное количество калия в форме KCl.

Электролиз

Калий получают двумя способами: электролизным и термическим. При электролизе метод, использованный Дэви для выделения калия, использовался без значительных изменений.

Однако этот способ с промышленной точки зрения не был эффективным, поскольку необходимо снизить высокую температуру плавления расплавленных соединений калия.

Метод электролиза гидроксида калия использовался в промышленности в 20-е годы прошлого века, но термический метод, тем не менее, вытеснил его и с 1950 г. стал доминирующим методом производства этого металла.

Термический метод

В термическом методе калий получают путем восстановления расплавленного хлорида калия при 870 ºC. Его непрерывно подают в дистилляционную колонну, заполненную солью. Между тем, пары натрия проходят через колонну для восстановления хлорида калия.

Калий является наиболее летучим компонентом реакции и накапливается в верхней части дистилляционной колонны, где он собирается непрерывно. Производство металлического калия термическим способом можно описать следующим химическим уравнением:

Na (г) + KCl (l) => K (l) + NaCl (l)

Процесс Грисхаймера, в котором используется реакция фторида калия с карбидом кальция, также используется при производстве калия:

2 KF + CaC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

Реакции

Неорганический

Калий является высокореакционным элементом, который быстро реагирует с кислородом с образованием трех оксидов: оксида калия (K ₂ O), пероксида (K ₂ O ₂ ) и супероксида (KO ₂ ).

Калий - сильно восстанавливающий элемент, поэтому он окисляется быстрее, чем большинство металлов. Он используется для восстановления солей металлов, заменяя калий на металл в соли. Этот метод позволяет получать чистые металлы:

MgCl ₂ + 2 К => Mg + 2 KCl

Калий сильно реагирует с водой, образуя гидроксид калия и выделяя взрывоопасный газообразный водород (изображение ниже):

Металлический калий реагирует с водным раствором фенолфталеина, который становится пурпурно-красным, когда ионы ОН- попадают в среду. Обратите внимание на образование газообразного водорода. Источник: Озон Аврора и Филип Эванс через Википедию.

Гидроксид калия может реагировать с диоксидом углерода с образованием карбоната калия.

Калий реагирует с оксидом углерода при температуре 60 ° C с образованием взрывоопасного карбонила (K ₆ C ₆ O ₆ ). Он также реагирует с водородом при 350ºC, образуя гидрид. Он также очень реактивен с галогенами и взрывается при контакте с жидким бромом.

Взрывы также происходят, когда калий реагирует с галогенированными кислотами, такими как соляная кислота, и смесь сильно ударяется или встряхивается. Расплавленный калий далее реагирует с серой и сероводородом.

органический

Реагирует с органическими соединениями, содержащими активные группы, но инертен к алифатическим и ароматическим углеводородам. Калий медленно реагирует с аммиаком с образованием калия (KNH ₂ ).

В отличие от натрия, калий реагирует с углеродом в форме графита с образованием ряда межслойных соединений. Эти соединения имеют атомные отношения углерод-калий: 8, 16, 24, 36, 48, 60 или 1; то есть KC ₆₀ , например.

Приложения

Металлический калий

Промышленный спрос на металлический калий невелик. Большая его часть превращается в супероксид калия, используемый в респираторах, поскольку он выделяет кислород и удаляет углекислый газ и водяной пар.

Сплав NaK обладает большой теплоемкостью, поэтому его используют в качестве теплоносителя в некоторых ядерных реакторах. Точно так же испаренный металл использовался в турбинах.

соединений

Хлористый

KCl используется в сельском хозяйстве как удобрение. Он также используется в качестве сырья для производства других соединений калия, таких как гидроксид калия.

гидроокись

Также известный как едкий калий, КОН, он используется в производстве мыла и моющих средств.

Его реакция с йодом дает йодид калия. Эта соль добавляется в поваренную соль (NaCl) и корм для защиты от дефицита йода. Гидроксид калия используется при производстве щелочных батарей.

азотнокислый

Также известная как селитра KNO ₃ , она используется в качестве удобрения. Кроме того, он используется при разработке фейерверков; как пищевой консервант, и в закалке стекла.

хромат

Используется в производстве удобрений и производстве квасцов.

Карбонат

Он используется при производстве стекла, особенно того, что используется при производстве телевизоров.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Калий. Получено с: en.wikipedia.org
3. МакКихан LW (1922). Кристаллическая структура калия. Слушания Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, 8 (8), 254–255. DOI: 10.1073 / pnas.8.8.254
4. Масафуми Саката и др. (2017). Структурный фазовый переход калия в условиях высокого давления и низкой температуры. Журн. Физ: конф. Сер.950 042020.
5. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Калий. База данных PubChem., CID = 5462222. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Редакторы энциклопедии Британника. (03 мая 2019 г.). Калий. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
7. Королевское химическое общество. (2019). Калий. Получено с: rsc.org
8. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (24 января 2019 г.). 10 фактов о калии. Получено с: thinkco.com
9. Бест и Тейлор. (2003). Физиологические основы врачебной практики. (13-е издание на испанском языке). От редакции Médica Panamericana.
10. Вяз Аксаякатль. (02 марта 2018 г.). Важность калия (K) в культурных растениях. Получено с: blogagricultura.com
11. Lenntech BV (2019). Калий. Получено с: lenntech.com