КАЛИЙ: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РЕАКЦИИ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2025

На калий е алкален химически символ е К. му атомен номер е 19 и се намира под натрий в периодичната таблица. Това е мек метал, който дори може да бъде нарязан с нож. В допълнение, той е доста лек и може да плава върху течна вода, докато реагира енергично.

Прясно нарязан, той има много ярък сребристо-бял цвят, но когато е изложен на въздух, той се окислява бързо и губи блясъка си, превръщайки се в сивкав цвят (почти синкав, като изображението по-долу).

Частично окислени парчета калий, съхранявани в минерално масло. Източник: 2 × 910

Калият реагира експлозивно с вода и образува калиев хидроксид и водороден газ. Именно този газ е отговорен за експлозивността на реакцията. Когато гори в запалката, възбудените му атоми боядисват пламъка с интензивен цвят на люляк; това е един от неговите качествени тестове.

Той е седмият най-разпространен метал в земната кора и представлява 2,6% от теглото му. Среща се главно в магматични скали, шисти и седименти, в допълнение към минерали като силвит (KCl). За разлика от натрия, концентрацията му в морската вода е ниска (0,39 g / L).

Калият е изолиран през 1807 г. от английския химик сър Хъмфри Дейви чрез електролиза на разтвор на неговия хидроксид, KOH. Този метал е първият, изолиран чрез електролиза и Дейви му дава английското име калий.

В Германия обаче името kalium е използвано за обозначаване на метала. Точно от това фамилно име идва буквата „K“, използвана като химичен символ за калий.

Самият метал има малка промишлена употреба, но създава много полезни съединения. Биологически обаче е много по-важен, тъй като е един от основните елементи за нашето тяло.

В растенията, например, благоприятства фотосинтезата, процеса на осмоза. Той също така насърчава синтеза на протеини, като по този начин благоприятства растежа на растенията.

история

поташ

От древни времена човекът е използвал поташ като тор, игнорирайки съществуването на калий, още по-малко връзката му с поташ. Това се приготвя от пепелта на стволовете и листата на дърветата, към които се добавя вода, която по-късно се изпарява.

Зеленчуците съдържат най-вече калий, натрий и калций. Но калциевите съединения са слабо разтворими във вода. Поради тази причина поташът е концентрат на калиеви съединения. Думата произлиза от свиването на английските думи „pot“ и „ash“.

През 1702 г. Г. Ернст Стал предложи разлика между натриевата и калиевата соли; Това предложение е проверено от Хенри Дюхамел дю Монсо през 1736 г. Тъй като точният състав на солите не е известен, Антоан Лавоазер (1789 г.) решава да не включва алкали в списъка на химичните елементи.

откритие

През 1797 г. немският химик Мартин Клапрот открил поташ в минералите левцит и лепидолит, така че той заключи, че това не е просто продукт от растения.

През 1806 г. английският химик сър Хъмфри Дейви открива, че връзката между елементите на съединението има електрическа природа.

След това Дейви изолира калия чрез електролиза на калиев хидроксид, наблюдавайки глобули от метален блясък, натрупани на анода. Той нарече метала с английската етимологична дума калий.

През 1809 г. Лудвиг Вилхелм Гилбърт предложи името калий (калий) за калий на Дейви. Берцелий призова името калиум, за да назначи на калия химическия символ „К“.

Накрая Юстус Либиг през 1840 г. открива, че калият е необходим елемент за растенията.

Структура и електронна конфигурация на калий

Металният калий кристализира при нормални условия в организираната в тялото кубична (bcc) структура. Това се характеризира с това, че е тънък, което е в съгласие със свойствата на калия. K атом е заобиколен от осем съседи, точно в центъра на куб и с другите К атоми, разположени в върховете.

Тази фаза bcc също е обозначена като фаза KI (първата). Когато налягането се увеличава, кристалната структура се уплътнява към кубичната (fcc) фаза, центрирана към лицето. Необходимо е обаче налягане от 11 GPa, за да се осъществи спонтанен преход.

Тази по-гъста fcc фаза е известна като K-II. При по-високо налягане (80 GPa) и по-ниски температури (по-ниски от -120 ºC) калият придобива трета фаза: K-III. K-III се характеризира със способността си да побира други атоми или молекули в своите кристални кухини.

Съществуват още две кристални фази при още по-високо налягане: K-IV (54 GPa) и KV (90 GPa). При много студени температури калият дори проявява аморфна фаза (с неуредици К атоми).

Окислително число

Електронната конфигурация на калий е:

4s ¹

Орбиталата 4s е най-външната и затова има единствен валентен електрон. Това на теория е отговорно за металната връзка, която държи K атомите заедно, за да дефинира кристал.

От същата електронна конфигурация е лесно да се разбере защо обикновено калият винаги (или почти винаги) има окислително число +1. Когато загуби един електрон, за да образува катиона К ⁺, благородният газов аргон с пълния си валентен октет става изоелектрон.

В повечето от неговите производни съединения се приема, че калият е К ⁺ (дори ако връзките му не са чисто йонни).

От друга страна, макар и по-малко вероятно, калият може да спечели електрон, имайки два електрона в своята 4s орбитала. По този начин, калциевият метал става изоелектрон:

4s ²

Тогава се казва, че е получил електрон и има отрицателно окислително число -1. Когато това число на окисление се изчисли в съединение, се предполага наличието на калионен анион, K ^-.

Имоти

Външен вид

Лъскав бял сребърен метал.

Моларна маса

39.0983 g / mol.

Точка на топене

83,5 ° C.

Точка на кипене

759 ° С.

плътност

-0,862грам / cm ³, при стайна температура.

-0,828грам / cm ³, при точка на топене (течност).

разтворимост

Реагира бурно с вода. Разтворим в течен амоняк, етилендиамин и анилин. Разтворим в други алкални метали за образуване на сплави и в живак.

Плътност на парата

1.4 по отношение на въздуха, взет като 1.

Парно налягане

8 mmHg при 432 ° C.

стабилност

Стабилен, ако е защитен от въздух и влага.

корозийните

Тя може да бъде корозивна при контакт с метали. При контакт може да причини изгаряне на кожата и очите.

Повърхностно напрежение

86 дина / см при 100 ° С.

Топлина от синтез

2.33 kJ / mol.

Топлина от изпаряване

76,9 kJ / mol.

Моларен топлинен капацитет

29.6 J / (mol · K).

Електроотрицателност

0,82 по скалата на Полинг.

Йонизационни енергии

Първо ниво на йонизация: 418,8 kJ / mol.

Второ ниво на йонизация: 3.052 kJ / mol.

Трето ниво на йонизация: 4,420 kJ / mol.

Атомно радио

227 вечерта.

Ковалентен радиус

203 ± 12 pm.

Термично разширение

83,3 µm / (m · K) при 25 ° С.

Топлопроводимост

102,5 W / (mK).

Електрическо съпротивление

72 nΩ · m (при 25 ° C).

твърдост

0,4 по скалата на Mohs.

Естествени изотопи

Калият се среща като три основни изотопа: ³⁹ К (93.258%), ⁴¹ К (6.73%) и ⁴⁰ К (0.012%, радиоактивна β-емисия)

номенклатура

Калиевите съединения по подразбиране имат окислителното число +1 (с много специални изключения). Следователно в номенклатурата на акциите (I) в края на имената се пропуска; а в традиционната номенклатура имената завършват с наставката -ico.

Например, KCl е калиев хлорид, а не калиев (I) хлорид. Традиционното му име е калиев хлорид или калиев монохлорид, според систематичната номенклатура.

В останалата част, освен ако не са много често срещани имена или минерали (като силивин), номенклатурата около калия е съвсем проста.

Shapes

Калият не се среща в природата в метална форма, но може да се получи индустриално в тази форма за определени употреби. Среща се главно в живи същества, в йонна форма (К ⁺). Като цяло това е основният вътреклетъчен катион.

Калият присъства в множество съединения, като калиев хидроксид, ацетат или хлорид и др. Той също е част от около 600 минерали, включително силвит, алунит, карналит и др.

Калият образува сплави с други алкални елементи, като натрий, цезий и рубидий. Той също така образува тройни сплави с натрий и цезий, чрез така наречените евтектични синтези.

Биологична роля

Растения

Калият представлява, заедно с азот и фосфор, трите основни растителни хранителни вещества. Калият се абсорбира от корените в йонна форма: процес, благоприятен от наличието на адекватни условия на влажност, температура и оксигенация.

Регулира отварянето и затварянето на листни стомаси: активност, която позволява усвояването на въглероден диоксид, който се комбинира с вода по време на фотосинтеза, за да образува глюкоза и кислород; Това са агенти, генериращи АТФ, които представляват основния енергиен източник на живите същества.

Той улеснява синтеза на някои ензими, свързани с растежа на растенията, в допълнение към нишестето, енергийно резервно вещество. Той също така се намесва в осмозата: процес, необходим за кореновата абсорбция на вода и минерали; и при издигане на водата през ксилема.

Хлорозата е проява на недостиг на калий в растенията. Характеризира се с това, че листата губят зеленината си и пожълтяват, с изгорени ръбове; и накрая, се получава обезлистване със забавяне на растежа на растенията.

Животни

Като цяло, при животните калият е основният вътреклетъчен катион с концентрация 140 mmol / L; докато извънклетъчната концентрация варира между 3,8 и 5,0 mmol / L. 98% от калия в организма се ограничава до вътреклетъчното отделение.

Въпреки че приемът на калий може да варира между 40 и 200 mmol / ден, неговата извънклетъчна концентрация се поддържа постоянна чрез регулирането на бъбречната екскреция. Хормонът алдостерон, който регулира секрецията на калий на нивото на събирателните и дисталните тубули, участва в това.

Калият е централно отговорен за поддържането на вътреклетъчната осмоларност и следователно е отговорен за поддържането на клетъчната цялост.

Въпреки че плазмената мембрана е относително пропусклива за калий, нейната вътреклетъчна концентрация се поддържа от активността на ензима Na, АТФаза (натриева и калиева помпа), която отстранява три натриеви атома и въвежда два калиеви атома.

Клетъчна реполяризация

Възбудими клетки, изградени от неврони и набраздени и гладки мускулни клетки; и набраздени мускулни клетки, изградени от скелетни и сърдечни мускулни клетки, всички са способни да формират потенциални действия.

Вътрешността на възбудимите клетки е отрицателно заредена във връзка с външността на клетката, но когато се стимулира правилно, пропускливостта на плазмената мембрана на клетките се увеличава. Този катион прониква през плазмената мембрана и превръща вътрешността на клетката положителна.

Явлението, което се е случило, се нарича потенциал за действие, който има набор от свойства, сред тях е способен да се разпространява в целия неврон. Команда, издадена от мозъка, пътува като потенциал за действие към даден мускул, за да го накара да се свие.

За да се появи нов потенциал за действие, вътрешността на клетката трябва да има отрицателен заряд. За целта има изход на калий от вътрешността на клетката, връщайки я към първоначалния си негатив. Този процес се нарича реполяризация, като е основна функция на калия.

Следователно, формирането на потенциали за действие и иницииране на мускулната контракция се казва като споделена отговорност на натрий и калий.

Други функции

Калият обслужва други функции при хората, като съдов тонус, контрол на системното кръвно налягане и стомашно-чревния подвижност.

Увеличаването на плазмената концентрация на калий (хиперкалиемия) предизвиква серия от симптоми като тревожност, гадене, повръщане, коремна болка и нередности в електрокардиограмата. Т вълната, която е свързана с камерната реполяризация, е висока и широка.

Този запис се обяснява, тъй като с увеличаването на извънклетъчната концентрация на калий той оставя клетъчния екстериор по-бавно, така че камерната реполяризация е по-бавна.

Намаляването на плазмената концентрация на калий (хипокалцемия) представя, наред с други, следните симптоми: мускулна слабост, намалена чревна подвижност, намалена гломерулна филтрация, сърдечна аритмия и изравняване на Т вълната на електрокардиограмата.

Т вълната се съкращава, тъй като чрез намаляване на извънклетъчната концентрация на калий, нейният изход към клетъчната екстериора се улеснява и продължителността на реполяризация намалява.

Къде е намерен калий и производство

Силивитен кристал, който се състои практически от калиев хлорид. Източник: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Калият се намира главно в магматични скали, шисти и седименти. Също така в минерали като мусковит и ортоклаза, които са неразтворими във вода. Ортоклазата е минерал, който обикновено се среща в магматични скали и гранит.

Калият също присъства във водоразтворими минерални съединения като карналит (KMgCl ₃ · 6H ₂ O), силвит (KCl) и landbeinite, които се намират в сухите езерни кори и на морското дъно.

В допълнение, калият се намира в саламури и като продукт от изгарянето на растителни стволове и листа в процес, използван за производството на поташ. Въпреки че концентрацията му в морската вода е ниска (0,39 g / L), тя също се използва за получаване на калий.

Калият присъства в големи находища, като този в Саскачеван, Канада, богат на минерални силивит (KCl) и способен да произвежда 25% от световната консумация на калий. Солените отпадъчни течности могат да съдържат значително количество калий под формата на KCl.

електролиза

Калият се произвежда по два метода: електролиза и термичен. При електролиза методът, използван от Дейви за изолиране на калий, е последван без големи изменения.

Този метод от индустриална гледна точка обаче не е ефективен, тъй като високата точка на топене на разтопените калиеви съединения трябва да бъде понижена.

Методът на електролиза на калиев хидроксид е използван индустриално през 20-те години на 20-ти век, въпреки това термичният метод го замества и се превръща в доминиращ метод за производството на този метал след 1950 г.

Термичен метод

При термичния метод калият се получава чрез намаляване на разтопения калиев хлорид при 870 ºC. Това непрекъснато се подава в дестилационна колона, пълна със солта. Междувременно натриевите пари преминават през колоната, за да се получи редукцията на калиев хлорид.

Калият е най-летливият компонент на реакцията и се натрупва в горната част на колоната за дестилация, където се събира непрекъснато. Получаването на метален калий по термичния метод може да бъде очертано в следното химично уравнение:

Na (g) + KCl (l) => K (l) + NaCl (l)

Процесът на Гризхаймер, който използва реакцията на калиев флуорид с калциев карбид, също се използва при производството на калий:

2 KF + CaC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

реакции

неорганичен

Калият е силно реактивен елемент, който реагира бързо с кислорода, за да образува три оксида: калиев оксид (K ₂ O), пероксид (K ₂ O ₂) и супероксид (KO ₂).

Калият е силно редуциращ елемент, поради което се окислява по-бързо от повечето метали. Използва се за намаляване на металните соли, замествайки калия с метала в солта. Този метод позволява получаването на чисти метали:

MgCl ₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

Калият реагира силно с вода, за да образува калиев хидроксид и отделя експлозивен водороден газ (снимката по-долу):

Метален калий реагира с воден разтвор на фенолфталеин, който става лилаво-червен, когато OH-йони се отделят в средата. Обърнете внимание на образуването на водороден газ. Източник: Озонова аврора и Филип Еванс чрез Wikipedia.

Калиевият хидроксид може да реагира с въглероден диоксид, за да се получи калиев карбонат.

Калий взаимодейства с въглероден монооксид при температура от 60 ° С до получаване на експлозивен карбонил (К ₆ С ₆ О ₆). Той също така реагира с водород при 350 ° С, образувайки хидрид. Той също така е силно реактивен с халогени и експлодира при контакт с течен бром.

Експлозии се случват и когато калият реагира с халогенирани киселини, като солна киселина и сместа се удари или разклати силно. Разтопеният калий също взаимодейства със сяра и сероводород.

органичен

Реагира с органични съединения, съдържащи активни групи, но е инертен към алифатни и ароматни въглеводороди. Калият реагира бавно с амоняк, за да образува потазомин (KNH ₂).

За разлика от натрия, калият реагира с въглерод под формата на графит, за да образува серия от междинни съединения. Тези съединения имат атомно съотношение въглерод-калий: 8, 16, 24, 36, 48, 60 или 1; т.е. KC ₆₀, например.

Приложения

Метален калий

Няма голямо промишлено търсене на метален калий. По-голямата част от него се превръща в калиев супероксид, използван в респиратори, тъй като той отделя кислород и премахва въглеродния диоксид и водната пара.

NaK сплавът има голям капацитет за поглъщане на топлина, поради което се използва като охлаждаща течност в някои ядрени реактори. По същия начин в турбините се използва изпарен метал.

Съединения

хлорид

KCl се използва в селското стопанство като тор. Използва се и като суровина за производството на други калиеви съединения, като калиев хидроксид.

хидрооксид

Известен също като каустичен поташ, KOH, той се използва при производството на сапуни и перилни препарати.

Неговата реакция с йод произвежда калиев йодид. Тази сол се добавя към трапезната сол (NaCl) и се захранва, за да се предпази от недостиг на йод. Калиевият хидроксид се използва при производството на алкални батерии.

нитрати

Известен също като селетер, KNO ₃, той се използва като тор. В допълнение, той се използва при изработването на фойерверки; като хранителен консервант и в закаляващо стъкло.

хромат

Използва се при производството на торове и производство на калиев стипца.

карбонат

Използва се при производството на стъкло, особено на тези, използвани в производството на телевизори.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Калият. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. McKeehan LW (1922). Кристалната структура на калия. Трудове на Националната академия на науките на Съединените американски щати, 8 (8), 254–255. doi: 10.1073 / pnas.8.8.254
4. Масафуми Саката и др. (2017). Структурен фазов преход на калий при условия на високо налягане и ниска температура. J. Phys.: Conf. Ser. 950 042020.
5. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Калият. PubChem база данни., CID = 5462222. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (03 май 2019 г.). Калият. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
7. Кралско химическо дружество. (2019). Калият. Възстановено от: rsc.org
8. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (24 януари 2019 г.). 10 калиеви факти. Възстановено от: thinkco.com
9. Най-добър и Тейлър. (2003 г.). Физиологична основа на медицинската практика. (13-то издание на испански език). Редакция Médica Panamericana.
10. Elm Axayacatl. (02 март 2018 г.). Значение на калия (К) в култивираните растения. Възстановено от: blogagricultura.com
11. Lenntech BV (2019). Калият. Възстановена от: lenntech.com