Ка́лий - элемент главной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 19. Обозначается символом K (лат. Kalium). Простое вещество калий (CAS-номер: 7440-09-7) - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.
В природе калий встречается только в соединениях с другими элементами, например, в морской воде, а также во многих минералах. Очень быстро окисляется на воздухе и очень легко вступает в химические реакции, особенно с водой, образуя щёлочь. Во многих отношениях химические свойства калия очень близки к натрию, но с точки зрения биологической функции и использования их клетками живых организмов они всё же отличаются.
История и происхождение названия
Калий (точнее, его соединения) использовался с давних времён. Так, производство поташа (который применялся как моющее средство) существовало уже в XI веке. Золу, образующуюся при сжигании соломы или древесины, обрабатывали водой, а полученный раствор (щёлок) после фильтрования выпаривали. Сухой остаток, помимо карбоната калия, содержал сульфат калия K 2 SO 4 , соду и хлорид калия KCl.
В 1807 году английский химик Дэви электролизом расплава едкого кали (KOH) выделил калий и назвал его «потассий» (лат. potassium; это название до сих пор употребительно в английском, французском, испанском, португальском и польском языках). В 1809 году Л. В. Гильберт предложил название «калий» (лат. kalium, от араб. аль-кали - поташ). Это название вошло в немецкий язык, оттуда в большинство языков Северной и Восточной Европы (в том числе русский) и «победило» при выборе символа для этого элемента - K.
Получение
Калий, как и другие щелочные металлы, получают электролизом расплавленных хлоридов или щелочей. Так как хлориды имеют более высокую температуру плавления (600-650 °C), то чаще проводят электролиз расправленных щелочей с добавкой к ним соды или поташа (до 12 %). При электролизе расплавленных хлоридов на катоде выделяется расплавленный калий, а на аноде - хлор:
K + + e - → K
2Cl - − 2e - → Cl 2
При электролизе щелочей на катоде также выделяется расплавленный калий, а на аноде - кислород:
4OH - − 4e - → 2H 2 O + O 2
Вода из расплава быстро испаряется. Чтобы калий не взаимодействовал с хлором или кислородом, катод изготовляют из меди и над ним помещают медный цилиндр. Образовавшийся калий в расплавленном виде собирается в цилиндре. Анод изготовляют также в виде цилиндра из никеля (при электролизе щелочей) либо из графита (при электролизе хлоридов).
Физические свойства
Калий - серебристое вещество с характерным блеском на свежеобразованной поверхности. Очень лёгок и легкоплавок. Относительно хорошо растворяется в ртути, образуя амальгамы. Будучи внесённым в пламя горелки калий (а также его соединения) окрашивает пламя в характерный розово-фиолетовый цвет.
Химические свойства
Элементарный калий, как и другие щелочные металлы, проявляет типичные металлические свойства и очень химически активен, является сильным восстановителем. На воздухе свежий срез быстро тускнеет из-за образования плёнок соединений (оксиды и карбонат). При длительном контакте с атмосферой способен полностью разрушиться. С водой реагирует со взрывом. Хранить его необходимо под слоем бензина, керосина или силикона, дабы исключить контакт воздуха и воды с его поверхностью. С Na, Tl, Sn, Pb, Bi калий образует интерметаллиды.
В этой статье будет дана характеристика калия с точки зрения физики и химии. Первая из этих наук изучает механические и внешние свойства веществ. А вторая - их взаимодействие друг с другом - это химия. Калий - девятнадцатый по счету элемент в таблице Менделеева. Он принадлежит к В этой статье будет рассмотрена и электронная формула калия, и его поведение с другими веществами и т. д. Это один из наиболее активных металлов. Наука, которая занимается изучением этого и других элементов - химия. 8 класс предусматривает изучение и их свойств. Поэтому данная статья будет полезна школьникам. Итак, начнем.
Характеристика калия с точки зрения физики
Это простое вещество, которое при нормальных условиях находится в твердом агрегатном состоянии. Температура плавления составляет шестьдесят три градуса по шкале Цельсия. Закипает же данный металл, когда температура достигает семисот шестидесяти одного градуса по Цельсию. Рассматриваемое вещество обладает серебристо-белой окраской. Имеет металлический блеск.
Плотность калия составляет восемьдесят шесть сотых грамма на сантиметр кубический. Это очень легкий металл. Формула калия очень проста - он не формирует молекул. Данное вещество состоит из атомов, которые расположены близко друг к другу и имеют кристаллическую решетку. Атомная масса калия равняется тридцати девяти граммам на моль. Твердость его очень низкая - его можно легко порезать ножом, как сыр.
Калий и химия
Начнем с того, что калий - химический элемент, который обладает очень высокой химической активностью. Даже хранить его на открытом воздухе нельзя, так как он моментально начинает реагировать с окружающими его веществами. Калий - химический элемент, который относится к первой группе и четвертому периоду таблицы Менделеева. Он обладает всеми свойствами, которые характерны для металлов.
Взаимодействие с простыми веществами
К ним относятся: кислород, азот, сера, фосфор, галогены (йод, фтор, хлор, бром). По порядку рассмотрим взаимодействие калия с каждым из них. Взаимодействие с кислородом называется окислением. В течение данной химической реакции расходуется калий и оксиген в молярном соотношении четыре части к одной, в результате чего образуется оксид рассматриваемого металла в количестве двух частей. Данное взаимодействие можно выразить при помощи следующего уравнения реакции: 4К + О2 = 2К2О. При горении калия можно наблюдать
Поэтому данная реакция считается качественной на определение калия. Реакции с галогенами называются в соответствии с названиями этих химических элементов: это йодирование, фторирование, хлорирование, бромирование. Данные взаимодействия можно назвать реакциями присоединения, так как атомы двух разных веществ объединяются в одно. Примером подобного процесса может служить реакция между калием и хлором, в результате которой образуется хлорид рассматриваемого металла. Для проведения данного взаимодействия необходимо взять два этих компонента - два моля первого и один второго. В результате образуется два моля соединения калия. Эта реакция выражается таким уравнением: 2К + СІ2 = 2КСІ. С азотом калий может давать соединения при горении на открытом воздухе. Во время этой реакции расходуется рассматриваемый металл и азот в молярном соотношении шесть частей к одной, в результате данного взаимодействия образуется нитрид калия в количестве двух частей. Это можно показать в виде следующего уравнения: 6К + N2 = 2K3N. Это соединение представляет собой кристаллы зелено-черного цвета. С фосфором рассматриваемый металл реагирует по такому же принципу. Если взять три моля калия и один моль фосфора, получим один моль фосфида. Данное химическое взаимодействие можно записать в виде такого уравнения реакции: 3К + Р = К3Р. Кроме того, калий способен реагировать с водородом, образуя при этом гидрид. В качестве примера может быть приведено такое уравнение: 2К + Н2 = 2КН. Все реакции присоединения происходят только при наличии высоких температур.
Взаимодействие со сложными веществами
Характеристика калия с точки зрения химии предусматривает рассмотрение и этой темы. К с которыми способен реагировать калий, относятся вода, кислоты, соли, оксиды. Со всеми ними рассматриваемый металл реагирует по-разному.
Калий и вода
Данный химический элемент бурно реагирует с ней. При этом образуется гидроксид, а также водород. Если взять по два моля калия и воды, то получим столько же и один моль водорода. Данное химическое взаимодействие можно выразить с помощью следующего уравнения: 2К + 2Н2О = 2КОН = Н2.
Реакции с кислотами
Так как калий - активный металл, он с легкостью вытесняет атомы гидрогена из их соединений. Примером может быть реакция, которая происходит между рассматриваемым веществом и соляной кислотой. Для ее проведения нужно взять два моля калия, а также кислоту в том же количестве. В результате образуется - два моля и водород - один моль. Этот процесс можно записать таким уравнением: 2К + 2НСІ = 2КСІ + Н2.
Калий и оксиды
С данной группой неорганических веществ рассматриваемый металл реагирует только при значительном нагревании. Если атом металла, входящего в состав оксида, пассивнее того, о котором мы говорим в данной статье, происходит, по сути, реакция обмена. Например, если взять два моля калия и один моль оксида купрума, то в результате их взаимодействия можно получить по одному молю оксида рассматриваемого химического элемента и чистый купрум. Это можно показать в виде такого уравнения: 2К + CuO = К2О + Cu. Вот где проявляются сильные восстановительные свойства калия.
Взаимодействие с основаниями
Калий способен реагировать с гидроксидами металлов, которые находятся правее него в электрохимическом ряду активности. В таком случае также проявляются его восстановительные свойства. Например, если взять два моля калия и один моль гидроксида бария, то в результате реакции замещения мы получим такие вещества, как гидроксид калия в количестве два моля и чистый барий (один моль) - он выпадет в осадок. Представленное химическое взаимодействие можно отобразить в виде следующего уравнения: 2К + Ba(OH)2 = 2КОН + Ba.
Реакции с солями
В данном случае калий все так же проявляет свои свойства как сильный восстановитель. Замещая атомы химически более пассивных элементов, он позволяет получить чистый металл. Например, если добавить к в количестве два моля три моля калия, то в результате данной реакции получим три моля хлорида калия и два моля алюминия. Выразить данный процесс с помощью уравнения можно следующим образом: 3К + 2АІСІ3 = 3КСІ2 + 2АІ.
Реакции с жирами
Если добавить калий к какому-либо органическому веществу данной группы, он также вытеснит один из атомов гидрогена. Например, при смешивании стеарина с рассматриваемым металлом образуется стеарат калия и водород. Полученное вещество применяется для изготовления жидкого мыла. На этом характеристика калия и его взаимодействий с другими веществами заканчивается.
Использование калия и его соединений
Как и все металлы, рассматриваемый в данной статье необходим для многих процессов в промышленности. Основное применение калия происходит в химической отрасли. Благодаря своей высокой химической активности, ярко выраженным щелочнометаллическим и восстановительным свойствам, он применяется в качестве реагента для многих взаимодействий и получения разнообразных веществ. Кроме того, сплавы с содержанием калия используются как теплоносители в ядерных реакторах. Также рассматриваемый в данной статье металл находит свое применение в электротехнике. Помимо всего вышеперечисленного, он является одним из главных компонентов удобрений для растений. Кроме того, его соединения применяются в самых разнообразных отраслях промышленности. Так, в добыче золота используется цианид калия, который служит реагентом для выделения ценных металлов из руд. В производстве стекла применяется Фосфаты рассматриваемого химического элемента являются компонентами всевозможных чистящих средств и порошков. В спичках присутствует хлорат данного металла. В изготовлении пленок для старых фотоаппаратов использовался бромид рассматриваемого элемента. Как вы уже знаете, добыть его возможно путем бромирования калия в условии высокой температуры. В медицине используется хлорид данного химического элемента. В мыловарении - стеарат и другие производные от жиров.
Получение рассматриваемого металла
В наше время калий добывают в лабораториях двумя основными способами. Первый - восстановление его из гидроксида с помощью натрия, который химически еще более активен, чем калий. А второй - получение его из хлорида, тоже с помощью натрия. Если добавить к одному молю гидроксида калия столько же натрия, образуется по одному молю щелочи натрия и чистого калия. Уравнение данной реакции выглядит следующим образом: КОН + Na = NaOH + К. Для проведения реакции второго типа нужно смешать хлорид рассматриваемого металла и натрий в равных молярных пропорциях. В результате этого образуются такие вещества, как кухонная соль и калий в одинаковом соотношении. Выразить данное химическое взаимодействие можно с помощью такого уравнения реакции: КСІ + Na = NaCl + К.
Строение калия
Атом данного химического элемента, как и всех остальных, состоит из ядра, в котором содержатся протоны и нейтроны, а также электронов, которые вращаются вокруг него. Количество электронов всегда равно количеству протонов, которые находятся внутри ядра. Если же какой-либо электрон отсоединился или присоединился к атому, то он уже перестает быть нейтральным и превращается в ион. Они бывают двух видов: катионы и анионы. Первые обладают положительным зарядом, а вторые - отрицательным. Если к атому присоединился электрон, то он превращается в анион, если же какой-либо из электронов покинул свою орбиту, нейтральный атом становится катионом. Так как порядковый номер калия, согласно таблице Менделеева, девятнадцать, то и протонов в ядре данного химического элемента находится столько же. Поэтому можно сделать вывод, что и электронов вокруг ядра расположено девятнадцать. Количество протонов, которые содержатся в структуре атома, можно определить, отняв от атомной массы порядковый номер химического элемента. Так можно сделать вывод, что в ядре калия находится двадцать протонов. Так как рассматриваемый в этой статье металл принадлежит к четвертому периоду, он имеет четыре орбиты, на которых равномерно располагаются электроны, которые все время находятся в движении. Схема калия выглядит следующим образом: на первой орбите расположены два электрона, на второй - восемь; также как и на третьей, на последней, четвертой, орбите вращается всего один электрон. Этим и объясняется высокий уровень химической активности данного металла - его последняя орбита не заполнена полностью, поэтому он стремится соединиться с какими-либо другими атомами, в результате чего их электроны последних орбит станут общими.
Где можно встретить данный элемент в природе?
Так как он обладает чрезвычайно высокой химической активностью, то на планете он нигде не встречается в чистом виде. Его можно увидеть только в составе разнообразных соединений. калия в земной коре составляет 2,4 процента. Самые распространенные минералы, в состав которых входит калий, - это сальвинит и карналлит. Первый обладает следующей химической формулой: NaCl.KCl. Он обладает пестрой расцветкой и состоит из множества кристаллов разнообразной окраски. В зависимости от соотношения хлорида калия и натрия, а также от наличия примесей, он может содержать красные, синие, розовые, оранжевые составляющие. Второй минерал - карналлит - выглядит как прозрачные, нежно-голубые, светло-розовые либо бледно-желтые кристаллы. Его химическая формула выглядит так: KCl.MgCl2.6Н2О. Он является кристаллогидратом.
Роль калия в организме, симптомы недостатка и избытка
Он вместе с натрием поддерживает водно-солевой баланс клетки. Также он участвует в передаче между мембранами нервного импульса. Кроме того, он регулирует кислотно-щелочной баланс в клетке и во всем организме в целом. Он принимает участие в процессах обмена веществ, противодействует возникновению отеков, входит в состав цитоплазмы - около пятидесяти ее процентов - соли рассматриваемого металла. Главными признаками того, что организму не хватает калия, является отечность, возникновение такого заболевания, как водянка, раздражительность и нарушения в работе нервной системы, заторможенность реакции и ухудшение памяти.
Кроме того, недостаточное количество данного микроэлемента отрицательно сказывается на сердечно-сосудистой и мышечной системах. Недостаток калия на протяжении очень длительного времени может спровоцировать инфаркт либо инсульт. А вот из-за избытка калия в организме может развиться язва тонкого кишечника. Для сбалансирования своего питания таким образом, чтобы получать нормальное количество калия, нужно знать, в каких продуктах он содержится.
Еда с высоким содержанием рассматриваемого микроэлемента
Прежде всего, это орехи, такие как кешью, грецкие, фундук, арахис, миндаль. Также большое его количество находится в картошке. Кроме того, калий содержится в сухофруктах, таких как изюм, курага, чернослив. Данным элементом богаты и кедровые орешки. Также высокая его концентрация наблюдается в бобовых: фасоли, горохе, чечевице. Морская капуста также богата данным химическим элементом. Еще одними продуктами, содержащими данный элемент в большом количестве, являются зеленый чай и какао. Кроме того, в высокой концентрации он находится и во многих фруктах, таких как авокадо, бананы, персики, апельсины, грейпфруты, яблоки. Многие крупы богаты рассматриваемым микроэлементом. Это прежде всего перловка, а также пшеничная и гречневая крупа. В петрушке и брюссельской капусте тоже есть много калия. Кроме того, он содержится в моркови и дыне. Лук и чеснок обладают немалым количеством рассматриваемого химического элемента. Куриные яйца, молоко и сыр также отличаются высоким содержанием в них калия. Суточная норма данного химического элемента для среднестатистического человека составляет от трех до пяти граммов.
Заключение
Прочитав эту статью, можно сделать вывод, что калий является чрезвычайно важным химическим элементом. Он необходим для синтезирования многих соединений в химической промышленности. Кроме того, используется и во многих других отраслях. Также он очень важен для организма человека, поэтому должен регулярно и в необходимом количестве поступать туда с едой.
0,12 грамма убивают человека за 5 часов. Так действует цианистый калий . Один из самых сильны ядов – это соль циановодородной кислоты. Ее еще называют синильной. В состав вещества входит 19-ый элемент . Однако, чистый калий – благо для организма, а не его убийца.
Даже ребенку в день требуется минимум 600 миллиграммов элемента. Иначе, нарушается работа мускулатуры, в том числе и сердечной. Возникают судороги, может развиться невралгия.
Восполнить дефицит удается, употребляя курагу, морепродукты, орехи, цитрусовые, бананы. Подвигайте эти продукты поближе и продолжайте знакомство с элементом №19.
Химические и физические свойства калия
Название элементу дало одно из его соединений, известное с древности, — карбонат калия . Арабы именовали его «аль-кали» и использовали при стирке одежды. Реагируя с водой, соли калия «рождают» щелочную среду. В ней очищают ткани и поныне.
С веками карбонату нашли и иное применение. Вещество стало пищевым стабилизатором. Как выполняет эту роль калий? Вода и масло, к примеру, не смешиваются. Но, в присутствии карбоната получить однородный состав, все же, удается. На упаковке будет отмечено «Е501».
У калия масса соединений. 19-ый элемент включен в первую группу периодической системы, а в ней лишь щелочные металлы. Все они имеют на внешнем электронном уровне лишь 1 электрон.
Это делает элементы активными восстановителями. Электронная формула калия четырехслойная. Поэтому, металл находится в 4-ом периоде таблицы Менделеева. То есть, внешний электрон удален от ядра и легко отсоединяется, замещается.
В чистом виде калий – вещество твердое и, при этом, легкое. Плотность элемента равна лишь 0,06 грамма на кубический сантиметр. Невелика и атомная масса – 39, 098 граммов на моль. Кстати, в калии только и есть, что атомы. Именно они формируют кристаллическу решетку. Молекул простое вещество не формирует.
Масса калия невелика, как и большинство показателей металла. Он даже твердостью похвастаться не может, хоть агрегатное состояние вещества в обычных условиях и таково. По элементу дают меньше 1-го балла.
Калий без труда режется ножом, словно это не металл, а сыр. Не сложно и расплавить вещество. Достаточно нагрева до 63,5 градусов. Добиться кипения сложнее, нужен показатель 700 по шкале Цельсия.
Будучи металлом, элемент имеет характерный . Цвет вещества серебристо-белый, с сероватым отливом. Если рядом вода, любоваться слитками лучше на расстоянии.
Погружаясь в жидкость, калий взрывается. Легко металл реагирует и с кислородом, моментально окисляясь. Особых условий для этого не надо. Требуется лишь атмосфера и калий.
Какой итог реакции металла с кислородом? Образуется оксид 19-го элемента. Образуется и пламя. Загораясь на воздухе, калий вспыхивает фиолетовым. Реакция является одним из способов идентификации щелочного металла.
Кислород – один из галогенов, то есть элементов 17-ой группы таблицы Менделеева. Калий легко реагирует с каждым из них по принципу присоединения. Вещества объединяются в одно. Так получаются хлорид калия , йодит , бромид, фторид и не только. Присоединение всегда происходит при повышенных температурах.
Во взаимодействие 19-ый элемент вступает и с некоторыми сложными веществами. Это не только вода. Реагировать с металлом может и любая кислота. Калий вытесняет из вещества атомы гидрогена. Так, от смешивания с соляной кислотой «рождается» водород и хлорид. Реакция проходит в обычных условиях.
Взаимодействие с оксидами возможно лишь при повышенных температурах. Большинство реакций протекают по схеме обмена. Здесь-то и проявляются восстановительные свойства калия. Реакция с оксидом купрума, к примеру, дает оксид уже 19-го элемента и чистый купрум.
По принципу восстановления проходит, так же, взаимодействие с солями. Если в них включены менее активные с химической точки зрения элементы, калий замещает их атомы. В итоге, добываются чистые металлы. Так, соединение с хлоридом дает алюминий уже в чистом виде.
С гидроксидами металлов реакции происходят лишь в том случае, если они располагаются правее калия в ряду электрохимической активности. Возьмем для примера барий, точнее, его гидроксид. Союз с 19-ым элементом гарантирует наличие уже гидроксида калия . Барий освободится.
Применение калия
Калий нужен не только организму людей, но их промышленности. Цианид металла закупают золотодобытчики. Реагент помогает им извлекать драгоценные элементы из руды. Облегчается получение не только , но и серебра.
В сфере нефтедобычи пригождается формиат металла. Он служит жидкостью для добуривания скважин, то есть, используется раствор калия . Фтористый металл применяется в металлургии в качестве . Так промышленники называют добавки, снижающие температуру плавления. Флюсы, так же, облегчают отделение от металла пустой породы, шлаков.
На атомных станциях присутствует тетрафторобромат калия. Без него не получить гексафторид урана. Он является стадией отделения урана от примесей редкоземельных элементов. С помощью калия получают, так же, фториды , рения и Без них атомная промышленность не обходится.
В стекольной промышленности нашел место углекислый калий. Небольшие добавки вещества улучшают оптические свойства продукции. Углекислая форма металла идет и на мыловарение. В пиротехнических содержится хлорат 19-го элемента, а в бытовой химии – фосфат.
Сульфат калия – популярное удобрение для растений. Вообще, примерно 90% добываемых солей 19-го металла идут именно на производство подкормок. Они ускоряют рост культур, увеличивают урожайность, провоцируют пышное цветение. Так, вместо сульфата можно выбрать нитрат калия . Кроме удобрения он котируется, как пищевая добавка, усилитель вкуса.
Элемент не упустили и поля зрения медики. Оротат калия – лекарство, применяемое при заболеваниях желчных путей и печени. Перманганат калия – антисептик. Калий-магний – дуэт, включенный в «Панангин». Он восполняет дефицит обоих элементов.
Лучше всего металлы усваиваются в паре. Если соединить в препарате натрий и калий , можно отладить в организме проведение нервных импульсов. Так что, сфер применения 19-го элемента масса. На руку человечеству то, что калий не является редкостью.
Добыча калия
В природе наиболее часто встречаются соли калия . Больше всего их в России, на Урале. Не зря один из городов региона назван Соликамском. Крупные месторождения разрабатываются и в Белоруссии. Третьи по величине запасы калия в мире обнаружены 10 лет назад в Бразилии.
Если нужно выделить чистый металл, ископаемые смешивают с жидким натрием. Работает и электролиз хлорида калия. Ток проводят в его смеси с карбонатом 19-го элемента при температуре около 800-от градусов Цельсия.
После реакции калий требует очистки. Помогает вакуумная дистилляция. Порой, электролизу подвергают гидроксид калия. Метод не распространен. Трудно соблюсти технику безопасности. Не устраивает промышленников и выход по току.
Цена калия
На биржах цветных металлов за 19-ый элемент просят не менее 1 000 долларов США. Это ценник за тонну металла. На соединения калия стоимость разнится. Все зависит от востребованность вещества, объемов поставок. Калиевую селитру, к примеру, продают по 60-75 рублей за килограмм.
Лекарство орорат тоже стоит около 50-ти рублей. За 100 таблеток йодита калия просят 140-170 рублей. 10-миллимитровая ампула хлорида 19-го элемента обходится покупателям в 30-40 рублей.
Столько же стоит аналогичный объем перманганата. 40-килограммовый мешок удобрения в виде сульфата предлагают за 3 200 – 3 700 рублей. Цены усреднены. В разных регионах и у разных поставщиков они отличаются. Нередко запросы продавцов зависят от объемов поставок. Оптовикам обещают скидки.
Калий (Kalium, от араб, qili - поташ) К - элемент I группы 4-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, п. н. 19, атомная масса 39,102.
Физические и химические свойства
Металлический калий мягок, он легко режется ножом и поддается прессованию и прокатке. Обладает кубической объемно центрированной кубической решеткой, параметр а = 0,5344 нм. Плотность калия меньше плотности воды и равна 0,8629 г/см 3 . Как и все щелочные металлы, калий легко плавится (температура плавления 63,51°C) и начинает испаряться уже при сравнительно невысоком нагревании (температура кипения калия 761°C).
Калий, как и другие щелочные металлы, химически очень активен. Легко взаимодействует с кислородом воздуха с образованием смеси, преимущественно состоящей из пероксида К 2 О 2 и супероксида KO 2 (К 2 О 4):
2K + O 2 = K 22 , K + O 2 = KO 2 .
При нагревании на воздухе калий сгорает фиолетово-красным пламенем. С водой и разбавленными кислотами калий взаимодействует с взрывом (воспламеняется образующийся водород (H)):
2K + 2H 2 O = 2KOH + H 2
8К + 4Н 2 SO 4 = K 2 S + 3K 2 SO 4 + 4H 2 O.
При нагревании до 200-300°C калий реагирует с водородом (H) с образованием солеподобного гидрида КН:
С галогенами калий взаимодействует с взрывом. Интересно отметить, что с азотом (N) калий не взаимодействует.
Как и другие щелочные металлы, калий легко растворяется в жидком аммиаке с образованием голубых растворов. В таком состоянии калий используют для проведения некоторых реакций. При хранении калий медленно реагирует с аммиаком с образованием амида KNH 2:
2K + 2NH 3 жидк. = 2KNH 2 + H 2
Важнейшие соединения калия: оксид К 2 О, пероксид К 2 О 2 , супероксид К 2 О 4 , гидроксид КОН, иодид KI, карбонат K 2 CO 3 и хлорид KCl.
Оксид калия К 2 О, как правило, получают косвенным путем за счет реакции пероксида и металлического калия:
2K + K 2 O 2 = 2K 2 O
Этот оксид проявляет ярко выраженные основные свойства, легко реагирует с водой с образованием гидроксида калия КОН:
K 2 O + H 2 O = 2KOH
Гидроксид калия, или едкое кали, хорошо растворим в воде (до 49,10% массе при 20°C). Образующийся раствор - очень сильное основание, относящееся к щелочам. КОН реагирует с кислотными и амфотерными оксидами:
SO 2 + 2KOH = K 2 SO 3 + H 2 O,
Al 2 O 3 + 2KOH + 3H 2 O = 2K (так реакция протекает в растворе) и
Al 2 O 3 + 2KOH = 2KAlO 2 + H 2 O (так реакция протекает при сплавлении реагентов).
В промышленности гидроксид калия KOH получают электролизом водных растворов KCl или K 2 CO 3 с применением ионообменных мембран и диафрагм:
2KCl + 2H 2 O = 2KOH + Cl 2 + H 2 ,
или за счет обменных реакций растворов K 2 CO 3 или K 2 SO 4 с Ca(OH) 2 или Ba(OH) 2:
K 2 CO 3 + Ba(OH) 2 = 2KOH + BaCO 3
Попадание твердого гидроксида калия или капель его растворов на кожу и в глаза вызывает тяжелые ожоги кожи и слизистых оболочек, поэтому работать с этими едкими веществами следует только в защитных очках и перчатках. Водные растворы гидроксида калия при хранении разрушают стекло, расплавы - фарфор.
Карбонат калия K 2 CO 3 (обиходное название поташ) получают при нейтрализации раствора гидроксида калия углекислым газом:
2KOH + CO 2 = K 2 CO 3 + Н 2 О.
В значительных количествах поташ содержится в золе некоторых растений.
Название: от арабского "аль-кали поташ" (давно известное соединение калия, добывающееся из древесной золы).
История открытия калия
Калий (англ. Potassium, франц. Potassium, нем. Kalium) открыл в
1807 г. Дэви, производивший электролиз твердого, слегка увлажненного едкого кали. Дэви именовал новый металл потассием (Potassium), но это название не прижилось. Крестным отцом металла оказался Гильберт, известный издатель журнала "Annalen deг Physik", предложивший название "калий"; оно было принято в Германии и России. Оба названия произошли от терминов, применявшихся задолго до открытия металлического калия. Слово потассий образовано от слова поташ, появившегося, вероятно, в XVI в. Оно встречается у Ван Гельмонта и во второй половине XVII в. находит широкое применение в качестве названия товарного продукта - поташа - в России, Англии и Голландии. В переводе на русский язык слово potashe означает "горшечная зола или зола, вываренная в горшке"; в XVI - XVII вв. поташ получали в огромных количествах из древесной золы, которую вываривали в больших котлах. Из поташа приготавливали главным образом литрованную (очищенную) селитру, которая шла на изготовление пороха. Особенно много поташа производилось в России, в лесах вблизи Арзамаса и Ардатова на передвижных заводах (майданах), принадлежавших родственнику царя Алексея Михайловича, ближнему боярину Б.И.Морозову. Что касается слова калий, то оно происходит от арабского термина алкали (щелочные вещества). В средние века щелочи, или, как тогда говорили, щелочные соли, почти не отличали друг от друга и называли их именами, имевшими одинаковое значение: натрон, боракс, варек т. д. Слово кали (qila) встречается приблизительно в 850 г. у арабских писателей, затем начинает употребляться слово Qali (al-Qali), которое обозначало продукт, получаемый из золы некоторых растений, с этими словами связаны арабские qiljin или qaljan (зола) и qalaj (обжигать). В эпоху иатрохимии щелочи стали подразделять на "фиксиро- ванные" и "летучие". В XVII в. встречаются названия alkali fixum minerale (минеральная фиксированная щелочь или едкий натр), alkali fixum. vegetabile (растительная фиксированная щелочь или поташ и едкое кали), а также alkali volatile (летучая щелочь или NН3). Блэк установил различие между едкими (caustic) и мягкими, или углекислыми, щелочами. В "Таблице простых тел" щелочи не фигурируют, но в примечании к таблице Лавуазье указывает, что фиксированные щелочи (поташ и сода), вероятно, представляют собой сложные вещества, хотя природа их составных частей еще не изучена. В русской химической литературе первой четверти XIX в. калий назывался потассий (Соловьев, 1824), поташ (Страховй, 1825), поташий (Щеглов, 1830); в "Магазине Двигубского" уже в 1828 г. наряду с названием поташ (сернокислый поташ) встречается название кали (едкое кали, кали соляный и др.). Название калий стало общепринятым после выхода в свет учебника Гесса.
Нахождение в природе калия
В земной коре калий - один из наиболее распространенных петрогенных элементов. В гораздо меньших концентрациях он находится в океанической воде, содержащей его только 0.029%, хотя реки и подземные воды ежегодно выносят в океаны 8.4·107 растворенного калия.
В приповерхностных породах земной коры выделяются две основные группы калиесодержащих минералов: алюмосиликатных, галогенных и сульфатных. Алюмосиликатная группа весьма распространенная, но ее минералы трудно- или нерастворимые. Группа же галогенных и сульфатных калиесодержащих минералов отличается хорошей растворимостью и образует основную сырьевую базу для производства калийных удобрений.
Основные минералы, содержащие калий: сильвин KСl (52,44% К), сильвинит (Na,K)Cl (этот минерал представляет собой плотно спрессованную механическую смесь кристалликов хлорида калия KCl и хлорида натрия (Na) NaCl), карналлит KCl·MgCl 2 ·6H 2 O (35,8% К), различные алюмосиликаты, содержащие калий, каинит KCl·MgSO 4 ·3H 2 O, полигалит K 2 SO 4 ·MgSO 4 ·2CaSO 4 ·2H 2 O, алунит KAl 3 (SO 4) 2 (OH) 6 . В морской воде содержится около 0,04% калия (см. также Калийные соли).
Получение калия
Хлорид натрия содержится также вморской воде и соляных источниках.Обычно верхние слои залежей содержаткалийные соли. Они имеются в морской воде, однако в значительно меньшихколичествах, чем соли натрия. Самые большие в мире запасы калийных солейнаходятся на Урале в районе Соликамска (минералы сильвинит NaCl * KCl *MgCl * 6H2O). Разведаны и эксплуатируются крупные залежи калийных солей вБелоруси (г.Солигорск).
В настоящее время калий получают при взаимодействии с жидким натрием (Na) расплавленных KOH (при 380-450°C) или KCl (при 760-890°C):
Na + KOH = NaOH + K
Калий также получают электролизом расплава KCl в смеси с K 2 CO 3 при температурах, близких к 700°C:
2KCl = 2K + Cl 2
От примесей калий очищают вакуумной дистилляцией.
Калий также можно получить электролизом расплавленных KCl и KOH.Однако этот способ получения калия не нашел распространения из-затехнических трудностей (низкий выход по току, трудность обеспечения техникибезопасности). Современное промышленное получение калия основано наследующих реакциях: KCl + Na (NaCl + K (а) KOH + Na (NaOH + K (б) В способе (а) через расплавленный хлорид калия пропускают пары натрияпри 8000С, а выделяющиеся пары калия конденсируют. В способе (б)взаимодействие между расплавленным гидроксидом калия и жидким натриемосуществляется противотоком при 4400С в реакционной колонне из никеля(. Этими же способами получают сплав калия с натрием, которыйприменяется как жидкий металлический теплоноситель в атомных реакторах. Сплав калия с натрием используется также в качестве восстановителя впроизводстве титана.
Применение калия
Металлический калий - материал для электродов в химических источниках тока. Сплав калия с другим щелочным металлом - натрием (Na) находит применение в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.
В гораздо больших масштабах, чем металлический калий, находят применение его соединения. Калий - важный компонент минерального питания растений (на это уходит около 90% добываемых солей калия), он необходим им в значительных количествах для нормального развития, поэтому широкое применение находят калийные удобрения: хлорид калия КСl, нитрат калия, или калийная селитра, KNO 3 , поташ K 2 CO 3 и другие соли калия. Поташ используют также при производстве специальных оптических стекол, как поглотитель сероводорода при очистке газов, как обезвоживающий агент и при дублении кож.
В качестве лекарственного средства находит применение иодид калия KI. Иодид калия используют также в фотографии и в качестве микроудобрения. Раствор перманганата калия КMnO 4 («марганцовку») используют как антисептическое средство.
Биологическая роль калия
Калий - один из важнейших биогенных элементов, постоянно присутствующий во всех клетках всех организмов. Ионы калия К + участвуют в работе ионных каналов и регуляции проницаемости биологических мембран, в генерации и проведении нервного импульса, в регуляции деятельности сердца и других мышц, в различных процессах обмена веществ. Содержание калия в тканях животных и человека регулируется стероидными гормонами надпочечников. В среднем организм человека (масса тела 70 кг) содержит около 140 г калия. Поэтому для нормальной жизнедеятельности с пищей в организм должно поступать 2-3 г калия в сутки. Богаты калием такие продукты, как изюм, курага, горох и другие.
Особенности обращения с металлическим калием
металлический калий может вызвать очень сильные ожоги кожи, при попадании мельчайших частичек калия в глаза возникают тяжелые поражения с потерей зрения, поэтому работать с металлическим калием можно только в защитных перчатках и очках. Загоревшийся калий заливают минеральным маслом или засыпают смесью талька и NaCl. Хранят калий в герметично закрытых железных контейнерах под слоем обезвоженного керосина или минерального масла.
Запасы и добыча калия в мире
Основным сырьем для производства хлористого калия являются природные калийные руды (сильвинит и карналлит – соли с содержанием чистого вещества на уровне 12-15% с примесями солей натрия и магния).
Мировые запасы калийной руды характеризуются высоким уровнем концентрации – только 3 страны обладают около 85% запасов. Чуть более 38% находится в Канаде, далее идет Россия с запасами, равными примерно 33%. На третьем месте находится Белоруссия – 9% от уровня всех мировых запасов калийной руды. Содержание калия в месторождениях, находящихся в России, выше, чем в других странах.
Ежегодно производители калийных удобрений извлекают 8,6 млрд. тонн карналлито-сильвинитовой руды (оценка World Geological Survey), однако даже при такой интенсивной добыче запасов руды хватит более чем на сто лет.
Запасы калия в России
Производство калийных удобрений в России организовано на Урале на базе Верхне-Камского месторождения, на долю которого приходится 84% разведанных запасов калийных солей в России. Максимальный объем производства был достигнут в 1988 г. и составил 5.26 млн.т K2O.
Добычу и переработку калийных руд осуществляют два крупнейших предприятия – Уралкалий и Сильвинит, разрабатывающие Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей с объемом запасов около 3,8 млрд. тонн руды. Содержание калия на лицензируемых участках Уралкалия и Сильвинита составляет 30% и 25% соответственно – это лучшие показателей в мировой отрасли.
Для производства одной тонны калийных удобрений требуется добыть как минимум четыре тонны руды, в 2008 году стоимость хлористого калия на российских биржах превышает 4,5 тысячи рублей за тонну.
В 2008 году соликамский "Сильвинит" приступил к строительству нового горно-обогатительного комплекса на Половодовском участке Верхнекамского месторождения в Пермском крае. По своим масштабам это строительство нисколько не уступит ударным стройкам прошлого. За 8-10 лет "Сильвинит" планирует вложить в строительство шахты и обогатительной фабрики на новом участке более 1,5 миллиарда долларов. Добыча калия тесно переплетается с развитием транспортной инфраструктуры Верхнекамья и судьбой титаномагниевой промышленности. В 2008 году начнется масштабное строительство 53-километрового участка железной дороги до Соликамска в обход Березников. А металлурги ВСМПО-АВИСМы получат гарантии поставок жизненно важного для них карналлита, проблемы с которым начались после затопления уже второго рудника березниковского "Уралкалия". При сегодняшних темпах разработки запасов Половодовского участка "Сильвиниту" хватит как минимум на 150 лет. В 2007 году на "Сильвините" выпустили 100 миллионов тонн калийных удобрений с начала деятельности предприятия.
Возрастание экспорта в Китай, Японию, Индию настоятельно требует освоения Непского месторождения в Сибири. При этом экономия за счет уменьшения расходов на транспорт позволит вдвое увеличить прибыль от ввода в строй этого месторождения. Особенно перспективным представляется использование при его разработке геотехнологических методов, обеспечивающих наработку рассолов с получением ценных и дефицитных безхлоридных удобрений. Следует отметить, что геотехнологический способ позволяет повысить производительность добычи в 4 раза при снижении удельных капиталовложений в 7 раз.
Кроме увеличения добычи на Верхнекамском месторождении и освоения Непского, весьма перспективным является также освоение в Волгоградской области Гремяченского месторождения, запасы сильвинитов которого по категории С2 составляют 250 млн.т K2O при среднем содержании полезного компонента 21-26%, а также Эльтонского месторождения. На наиболее изученном Улаганском участке последнего суммарные запасы сильвинитов, карналлитов и кизерит-карналит-сильвинитовых руд по категории С1+С2 составляют 430 млн.т K2O. На двух других участках запасы категории С2 и прогнозные ресурсы оцениваются в 580 млн.т K2O.
Освоение этих месторождений привлекательно их близостью к основным потребителям калийных удобрений - Поволжскому, Центральному, Центрально-Черноземному и Северо-Кавказскому экономическим районам.
Применение калия
Калийные соли и их соединения имеют достаточно широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Вместе с фосфором и азотом калий входит в триаду элементов, наиболее необходимых растениям и являющихся основой минеральных удобрений.
Кроме туковой промышленности калийные руды используются для получения моющих средств и различных химикатов - калиевая селитра, каустический калий, поташ, бертолетова соль, цианистый калий, бромистый калий и др. Получаемый при переработке карналлита хлористый магний является исходным продуктом для получения окиси магния и металлического магния.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Калий - девятнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - K от латинского «kalium». Расположен в четвертом периоде, IА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 19.
Калий не встречается в природе в свободном состоянии. Наиболее важными минералами калия являются: сильвин KCl, сильвинит NaCl×KCl, карналлит KCl×MgCl 2 ×6H 2 O, каинит KCl×MgSO 4 ×3H 2 O.
В виде простого вещества калий представляет собой блестящий серебристо-серый металл (рис. 1) с объемно-центрированной кристаллической решеткой. Исключительно реакционноспособный металл: на воздухе быстро окисляется, образуя рыхлые продукты взаимодействия.
Рис. 1. Калий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса калия
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии калий существует в виде одноатомных молекул K, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 39,0983.
Изотопы калия
Известно, что в природе калий может находиться в виде двух стабильных изотопов 39 Kи 41 K. Их массовые числа равны 39 и 41 соответственно. Ядро атома изотопа калия 39 K содержит девятнадцать протонов и двадцать нейтронов, а изотопа 41 K - такое же количество протонов идвадцать два нейтрона.
Существуют искусственные изотопы калия с массовыми числами от 32-х до 55-ти, среди которых наиболее стабильным является 40 K с периодом полураспада равным 1,248×10 9 лет.
Ионы калия
На внешнем энергетическом уровне атома калия имеется один электрон, который является валентным:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 .
В результате химического взаимодействия калий отдает свой единственный валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:
К 0 -1e → Л + .
Молекула и атом калия
В свободном состоянии калий существует в виде одноатомных молекул Л. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу калия:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Вычислите массу гидроксида калия, который требуется для приготовления раствора щелочи объемом 20 мл (массовая доля KOH 20%, плотность 1,22 г/мл). |
| Решение | Найдем массу раствора гидроксида калия:
|