Человечество знакомо с калием больше полутора веков. В лекции, прочитанной в Лондоне 20 ноября 1807 г., Хэмфри Дэви сообщил, что при электролизе едкого кали он получил «маленькие шарики с сильным металлическим блеском. Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом». Это и был калий.
Калий – замечательный металл. Замечателен он не только потому, что режется ножом, плавает в воде, вспыхивает на ней со взрывом и горит, окрашивая пламя в фиолетовый цвет. И не только потому, что этот элемент – один из самых химически активных. Все это можно считать естественным, потому что соответствует положению щелочного металла калия в таблице Менделеева. Калий замечателен своей незаменимостью для всего живого и примечателен как всесторонне «нечетный» металл.
Общая характеристика элемента
Ка́лий — элемент главной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 19. Обозначается символом K .
Электронная конфигурация 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 1
Относительная атомная масса=39,098
Температура плавления,С0 63,5
Температура кипения,С0 760
Плотность г/см3 0,86
Степень окисления +1
История 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, 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).
Цветная металлургия России
... с черной металлургией. К особенностям цветной металлургии относятся также высокая капиталоемкость, фондоемкость, большая длительность строительно-монтажного цикла. Рис.1 Продукция цветной металлургии Цветная металлургия России объединяет целый ... качестве готовой продукции алюминий, сода, поташ и цемент и таким образом в сферу технологических связей цветной металлургии попадает не только химическая ...
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 встречается приблизительно в 850 г. у арабских писателей, затем начинает употребляться слово Qali (al-Qali), которое обозначало продукт, получаемый из золы некоторых растени. В русской химической литературе первой четверти XIX в. калий назывался потассий (Соловьев, 1824), поташ (Страховй, 1825), поташий (Щеглов, 1830); 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
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.
В свободном состоянии не встречается. Калий входит в состав сильвина KCl, сильвинита KCl·NaCl, карналлита KCl·MgCl2·6H2O, каинита KCl·MgSO4·6H2O, а также присутствует в золе некоторых растений в виде карбоната K2CO3 . Калий входит в состав всех клеток . Кларк калия в земной коре составляет 2,4 % (5-й по распространённости металл, 7-й по содержанию в коре элемент).
Концентрация в морской воде 380 мг/л.
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 расплавленных щелочей с добавкой к ним соды или поташа (до 12 %).
При электролизе расплавленных хлоридов на катоде выделяется расплавленный калий, а на аноде — хлор:
При электролизе щелочей 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 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).
Важное промышленное значение имеют и методы термохимического восстановления:
и восстановление из расплава хлорида калия карбидом кальция, алюминием или кремнием.
Физические свойства:
Калий — серебристое вещество с характерным блеском на 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.
Кислород. Его свойства и применение
... половины XVIII в. — швед Карл Шееле и англичанин Джозеф Пристли. Первым получил кислород К. Шееле, но его работа «О воздухе и огне», в которой был описан этот газ, ... с тем или иным атомом не требуется энергии возбуждения (a). Ячейки соответствует определенным состояниям (орбиталям) электронов на каждом подуровнем; подуровни характеризуются разной формой электронных облаков. Электроны на ...
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.
Конфигурация внешней электронной оболочки атома Калия 4s1, в соответствии с чем его валентность в соединениях постоянно равна 1. Единственный валентный электрон атома Калия более удален от его ядра, чем валентные электроны лития и натрия, поэтому химическая активность Калия выше, чем этих двух металлов. На воздухе, особенно влажном, Калий быстро окисляется, вследствие чего его хранят в бензине, керосине или минеральном масле. При комнатной температуре Калий реагирует с галогенами; при слабом нагревании соединяется с серой, при более сильном — с селеном и теллуром. При нагревании выше 200 °С в атмосфере водорода Калий образует гидрид KH, самовоспламеняющийся на воздухе. Азот и Калий не взаимодействуют даже при нагревании под давлением, но под влиянием электрического разряда эти элементы образуют азид Калия KN3 и нитрид Калия K3N. При нагревании Калия с графитом получаются карбиды KC8 (при 300 °С) и KC16 (при 360 °C).
В сухом воздухе (или кислороде) Калий образует желтовато-белый оксид K2O и оранжевый пероксид KO2 (известны также перекиси K2O2 и K2O3, получаемые действием кислорода на раствор Калия в жидком аммиаке).
Взаимодействие с простыми веществами
Калий при комнатной температуре реагирует с кислородом воздуха, галогенами; практически не реагирует с азотом (в отличие от литияи натрия).
При умеренном нагревании реагирует с водородом с образованием гидрида (200—350
При сгорании калия на воздухе образуется надпероксид калия KO2 (с примесью K2O2):
В реакции с фосфором в инертной атмосфере образуется фосфид зелёного цвета (200 °C):
Взаимодействие со сложными веществами
Калий при комнатной температуре активно реагирует с водой, кислотами, растворяется в жидком аммиаке (−50 °C) с образованием тёмно-синего раствора.
Калий глубоко восстанавливает разбавленные серную и азотную кислоты:
При сплавлении металлического калия со щелочами он восстанавливает водород гидроксогруппы:
При умеренном нагревании реагирует с газообразным аммиаком с образованием амида (65—105 °C):
Соединения с кислородом
При взаимодействии калия с кислородом воздуха образуетс
Оксид калия может быть получен при нагревании металла до температуры не выше 180 °C в среде, содержащей очень мало кислорода, или при нагревании смеси супероксида калия с металлическим калием:
Оксиды калия обладают ярко выраженными основными 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 и пероксид водорода:
Свойство обменивать углекислый газ на кислород используется в изолирующих противогазах и 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 CO2 выделяется один объём O2), и давление в замкнутом пространстве упадёт, а в случае избытка супероксида калия (при поглощении двух объёмов CO2 выделяется три объёма O2) выделяется больше газа, чем поглотится, и давление повысится.
Флотационный метод получения хлористого калия из сильвинита
... получил широкого применения. Однако эффект пленочной флотации используется при флотогравитационном способе получения крупнозернистого хлористого калия. Масляная флотация заключается в избирательном смачивании ... при амальгировании, эмульгировании, гидрообеспыливании и др. В калийной промышленности используется обычная пенная флотация. 3.Термодинамическая вероятность прилипания частиц минерала к ...
В случае эквимолярной смеси (Na2O2:K2O4 = 1:1) объёмы поглощаемого и выделяемого газов будут равны (при поглощении четырёх объёмов CO2 выделяется четыре объёма O2).
Пероксиды являются сильными окислителями, поэтому их применяют для отбеливания тканей в текстильной промышленности.
Получают пероксиды прокаливанием металлов на воздухе, освобождённом от углекислого газа.
Также известен озонид калия KO3, оранжево-красного цвета. Получить его можно взаимодействием гидроксида калия с озоном при температуре не выше 20 °C:
Озонид калия является очень сильным окислителем, например, окисляет элементарную серу до сульфата и дисульфата уже при 50 °C:
Гидроксид калия
Гидроксид калия (или едкое кали) представляет собой твёрдые белые непрозрачные, очень гигроскопичные кристаллы, плавящиеся при температуре 360 °C. Гидроксид калия относится к щелочам. Он хорошо растворяется в воде с выделением большого количества тепла. Растворимость едкого кали при 20 °C в 100 г воды составляет 112 г.
Калийные соли используют главным образом как калийные удобрения. Соли калия (ионы калия) окрашивают пламя горелки в фиолетовый цвет. Однако в присутствии даже ничтожных количеств соединений натрия фиолетовый цвет маскируется желтым. В этом случае его можно заметить через синее стекло, поглощающее желтые лучи.
Применение:
Жидкий при комнатной температуре сплав калия и натрия используется в качестве теплоносителя в замкнутых системах, например, в атомных силовых установках на быстрых нейтронах. Кроме того, широко применяются его жидкие сплавы с рубидием и цезием. Сплав состава: натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % — обладает рекордно низкой температурой плавления −78 °C.
Соединения калия — важнейший биогенный элемент и потому применяются в качестве удобрений.
Соли калия широко используются в гальванотехнике, так как, несмотря на относительно высокую стоимость, они часто более растворимы, чем соответствующие соли натрия, и потому обеспечивают интенсивную работу электролитов при повышенной плотности тока.
Калий и его соединения широко используются в различных отраслях хозяйства. Пероксид калия необходим при получении некоторых красителей, при гидролизе крахмала, производстве пороха, отбелке тканей. Регенерация воздуха в космических кораблях и подводных лодках осуществляется с помощью все тех же пероксидов натрия и калия. Без едких щелочей не сваришь мыло. Причем самое лучшее-жидкое туалетное, а также специальные медицинские сорта получают, используя едкий калий. Поташ в больших количествах идет на производство стекла.
Важнейшие соединения калия
Бромид калия применяется в медицине и как успокаивающее средство для нервной системы.
Гидроксид калия (едкое кали) применяется в щелочных аккумуляторах и при сушке газов.
Определение ионов сульфата, магния, никеля, калия
... часто используются для приготовления эталонов, т.е. стандартных образцов, в которых содержание определяемых компонентов устанавливается с высокой точностью. Предмет работы: определение ионов сульфата, магния, никеля, калия. Цель работы: отбор ... раствора щелочи и его стандартизация. Взвешивают на технических весах 0,2 г гидроксида натрия и растворяют в 0,5 дм3 воды. Получают примерно 0,01 н. раствор. ...
Карбонат калия (поташ) используется как удобрение, при варке стекла.
Хлорид калия (сильвин, «калийная соль») используется как удобрение.
Нитрат калия (калийная селитра) — удобрение, компонент чёрного пороха.
Перхлорат и хлорат калия (бертолетова соль) используются в производстве спичек, ракетных порохов, осветительных зарядов, взрывчатых веществ, в гальванотехнике.
Дихромат калия (хромпик) — сильный окислитель, используется для приготовления «хромовой смеси» для мытья химической посуды и при обработке кожи (дубление).
Также используется для очистки ацетилена на ацетиленовых заводах от аммиака, сероводорода и фосфина.
Кристаллы перманганата калия
Перманганат калия — сильный окислитель, используется как антисептическое средство в медицине и для лабораторного получения кислорода.
Дигидрофосфат и дидейтерофосфат калия в виде монокристаллов в лазерной технике.
Пероксид калия и супероксид калия используются для регенерации воздуха на подводных лодках и в изолирующих противогазах (поглощает углекислый газ с выделением кислорода).
Фтороборат калия — важный флюс для пайки сталей и цветных металлов.
Цианид калия применяется в гальванотехнике (серебрение, золочение), при добыче золота и при нитроцементации стали.
Калий совместно с перекисью калия применяется при термохимическом разложении воды на водород и кислород (калиевый цикл «Газ де Франс», Франция
Биологическая роль
Калий – один из важнейших биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Суточная потребность в калия у взрослого человека (2–3 г.) покрывается за счёт мяса и растительных продуктов; у грудных детей потребность в К. (30 мг/кг) полностью покрывается грудным молоком, в котором 60–70 мг % К. Многие морские организмы извлекают калий из воды. Растения получают калий из почвы. У животных содержание калия составляет в среднем 2,4 г/кг. В отличие от натрия, К. сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его много меньше. В клетке калий распределён неравномерно.
Ионы калия участвуют в генерации и проведении биоэлектрических потенциалов в нервах и мышцах, в регуляции сокращений сердца и др. мышц, поддерживают осмотического давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм калия тесно связан с углеводным обменом; ионы калия влияют на синтез белков. К+ в большинстве случаев нельзя заменить на Na+. Клетки избирательно концентрируют К+. Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу К+ из клеток, часто в обмен на Na+. Выделяется калий из организма главным образом с мочой. Содержание калия в крови и тканях позвоночных регулируется гормонами надпочечников – кортикостероидами. В растениях калия распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много К. в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах (20–30 г./кг сухого вещества).
При недостатке калия в почвах замедляется рост растений, повышается заболеваемость. Норма калийных удобрений зависит от типа с/х культуры и почвы.
