Какие свойства характерны для калия. Калий — металл, имеющий огромное биогенное значение
Человечество знакомо с калием больше полутора веков. В лекции, прочитанной в Лондоне 20 ноября 1807 г. Хэмфри Дэви сообщил, что при электролизе едкого калия 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 активных химически. 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.
Обратите внимание: его атомный номер 19, атомная масса 39, во внешнем электронном слое - один электрон, валентность 1+ . Как считают химики, именно этим объясняется исключительная подвижность калия в природе. Он входит в состав нескольких сотен минералов . Он находится в почве, в растениях, в организмах людей и животных. Он - как классический Фигаро: здесь - там - повсюду.
Калий и почва
Вряд ли можно объяснить случайностью или прихотью лингвистов тот факт, что в русском языке одним словом обозначаются и сама наша планета, и ее верхний слой - почва. «Земля-матушка», «земля-кормилица» - это, скорее, о почве, чем о планете в целом...
Но что такое почва? Самостоятельное и весьма своеобразное природное тело. Оно образуется из поверхностных слоев разнообразных горных пород под действием воздуха, воды, температурных перепадов, жизнедеятельности всевозможных обитателей Земли. Ниже, под почвой, скрыты так называемые материнские горные породы, сложенные из различных минералов. Они постепенно разрушаются и пополняют «запасы» почвы. А в почве, помимо чисто механического, постоянно происходит и другое разрушение. Его называют химическим выветриванием. Вода и углекислый газ (в меньшей мере другие вещества) постепенно разрушают минералы.
Почти 18% веса земной коры приходится на долю калийсодержащего минерала - ортоклаза . Это двойная соль кремневой кислоты K 2 Al 2 Si 6 O 16 или K 2 O-Al 2 O 3 -BSiO 2 . Вот что происходит с ортоклазом в результате химического выветривания:
K 2 O*AI 2 O 3 *6SO 2 + 2Н 2 О + CO 2 → K 2 CO 3 + Al 2 O 3 *2SO 2 *2H 2 O + + 4SiO 2 .
Ортоклаз превращается в каолин (разновидность глины), песок и поташ. Песок и глина идут на построение минерального костяка почвы, а K, перешедший из ортоклаза в поташ, «раскрепощается», становится доступным для растений. Но не весь сразу.
В почвенных водах молекулы K 2 CO 3 диссоциируют: К 2 СO 3 ↔ + К + + КСO 3 - ↔ 2К + + CO 3 2- . Часть ионов калия остается в почвенном растворе, который для растений служит источником питания. Но большая часть ионов калия поглощается коллоидными частицами почвы, откуда корням растений извлечь их довольно трудно. Вот и получается, что, хотя калия в земле много, часто растениям его не хватает. Из-за того, что комочки почвы «запирают» большую часть калия, содержание этого элемента в морской воде почти в 50 раз меньше, чем натрия. Подсчитано, что из тысячи атомов калия, освобождающихся при химическом выветривании, только два достигают морских бассейнов, а 998 остаются в почве. «Почва поглощает калий, и в этом ее чудодейственная сила», - писал академик А. Е. Ферсман.
Калий и растения
Калий содержится во всех растениях . Отсутствие калия приводит растение к гибели. Почти весь калий находится в растениях в ионной форме - K + . Часть ионов находится в клеточном соке, другая часть поглощена структурными элементами клетки. Ионы калия участвуют во многих биохимических процессах, происходящих в растении. Установлено, что в клетках растений эти ионы находятся главным образом в протоплазме. В клеточном ядре они не обнаружены. Следовательно, в процессах размножения и в передаче наследственных признаков элемент № 19 не участвует. Но и без этого роль калия в жизни растения велика и многообразна.
Калий входит и в плоды, и в корни, и в стебли, и в листья, причем в вегетативных органах его, как правило, больше, чем в плодах. Еще одна характерная особенность: в молодых растениях больше калия, чем в старых. Замечено также, что по мере старения отдельных органов растений ионы калия перемещаются в точки наиболее интенсивного роста. При недостатке калия растения медленнее растут, их листья, особенно старые, желтеют и буреют по краям, стебель становится тонким и непрочным, а семена теряют всхожесть.
Установлено, что ионы калия активизируют синтез органических веществ в растительных клетках. Особенно сильно влияют они на процессы образования углеводов. Если калия не хватает, растение хуже усваивает углекислый газ, и для синтеза новых молекул углеводов ему недостает углеродного «сырья». Одновременно усиливаются процессы дыхания, и сахара, содержащиеся в клеточном соке, окисляются. Таким образом, запасы углеводов в растениях, оказавшихся на голодном пайке (по калию), не пополняются, а расходуются. Плоды такого растения - это особенно заметно на фруктах - будут менее сладкими, чем у растений, получивших нормальную дозу калия. Крахмал - тоже углевод, поэтому и на его содержание в плодах сильно влияет элемент № 19.
Но и это не все. Растения, получившие достаточно калия, легче переносят засуху и морозные зимы. Это объясняется тем, что элемент № 19 влияет на способность коллоидных веществ растительных клеток поглощать воду и набухать. Не хватает калия - клетки хуже усваивают и удерживают влагу, сжимаются, отмирают.
Ионы калия влияют и на азотный обмен веществ. При недостатке калия в клетках накапливается избыток аммиака. Это может привести к отравлению и гибели растения.
Уже упоминалось, что K влияет и на дыхание растений, а усиление дыхания сказывается не только на содержании углеводов. Чем интенсивнее дыхание, тем активнее идут все окислительные процессы, и многие органические вещества превращаются в органические кислоты. Избыток кислот может вызвать распад белков. Продукты этого распада - весьма благоприятная среда для грибков и бактерий. Вот почему при калийном голодании растения намного чаще поражаются болезнями и вредителями. Фрукты и овощи, содержащие продукты распада белков, плохо переносят транспортировку, их нельзя долго хранить.Одним словом, хочешь получать вкусные и хорошо сохраняющиеся плоды - корми растение калием вволю. А для зерновых калий важен еще по одной причине: он увеличивает прочность соломы и тем самым предупреждает полегание хлебов...
- ВСТРЕЧА С КАЛИЕМ? Если на складе или на товарной станции вы увидите стальные ящики с надписями: «Огнеопасно!», «От воды взрывается», то весьма вероятно, что вы встретились с калием.
Много предосторожностей предпринимают при перевозке этого металла. Поэтому, вскрыв стальной ящик, вы не увидите калия, а увидите тщательно запаянные стальные банки. В них - калий и инертный газ - единственная безопасная для калия среда. Большие партии калия перевозят в герметических контейнерах под давлением инертного газа, равным 1,5 атм.
- ЗАЧЕМ НУЖЕН МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КАЛИЙ? Металлический K используют как катализатор в производстве некоторых видов синтетического каучука, а также в лабораторной практике. В последнее время основным применением этого металла стало производство перекиси калия K 2 O 2 , используемой для регенерации кислорода . Сплав калия с натрием служит теплоносителем в атомных реакторах, а в производстве титана - восстановителем.
- ИЗ СОЛИ И ЩЕЛОЧИ. Получают элемент №19 чаще всего в обменной реакции расплавленных едкого калия и металлического натрия: KOH + Na → NaOH + K. Процесс идет в ректификационной колонне из никеля при температуре 380-440°С. Подобным образом получают элемент № 19 и из хлористого калия, только в этом случае температура процесса выше - 760-800°С. При такой температуре и натрий, и калий превращаются в пар, а хлористый калий (с добавками) плавится. Пары натрия пропускают через расплавленную соль и конденсируют полученные пары калия. Этим же способом получают и сплавы натрия с калием. Состав сплава в большой мере зависит от условий процесса.
- КАК БЫТЬ, ЕСЛИ вы впервые имеете дело с металлическим калием. Необходимо помнить о высочайшей реакционной способности этого металла, о том, что калий воспламеняется от малейших следов воды. Работать с калием обязательно в резиновых перчатках и защитных очках, а лучше - в маске» закрывающей все лицо. С большими количествами калия работают в специальных камерах, заполненных азотом или аргоном. (Разумеется, в специальных скафандрах.) А если K все-таки воспламенился, его тушат не водой, а содой или поваренной солью.
- КАК БЫТЬ С ОТХОДАМИ. Правила безопасности категорически запрещают накапливать в лабораториях больше двух граммов остатков или отходов какого-либо щелочного металла, калия в том числе. Отходы подлежат уничтожению на месте. Классический способ - образование под действием этилового спирта этилата калия C 2 H 5 OK: просто льют в отходы спирт. Но есть и другой - безспиртовой способ. Отходы заливают керосином или бензином. Калий с ними не реагирует и, будучи легче воды, но тяжелее этих органических жидкостей, оседает на дно. И тогда в наклоненный сосуд начинают по каплям добавлять воду. Когда вода доберется до металла, произойдет реакция и K превратится в едкое кали. Слои щелочного раствора и керосина или бензина довольно легко разделяются на делительной воронке.
- ЕСТЬ ЛИ В РАСТВОРЕ ИОНЫ КАЛИЯ? Выяснить это несложно. Проволочное колечко опустите в раствор, а затем внесите в пламя газовой горелки. Если калий есть, пламя окрасится в фиолетовый цвет, правда, не в такой яркий, как желтый цвет, придаваемый пламени соединениями натрия. Сложнее определить, сколько калия в растворе. Нерастворимых в воде соединений у этого металла немного. Обычно калий осаждают в виде перхлората - соли очень сильной хлорной кислоты HClO 4 . Кстати, перхлорат калия - очень сильный окислитель и в этом качестве применяется в производстве некоторых взрывчатых веществ и ракетных топлив.
- ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН ЦИАНИСТЫЙ КАЛИЙ? Для извлечения золота и серебра из руд. Для гальванического золочения и серебрения неблагородных металлов. Для получения многих органических веществ. Для азотирования стали - это придает ее поверхности большую прочность. К сожалению, это очень нужное вещество чрезвычайно ядовито. А выглядит KCN вполне безобидно: мелкие кристаллы белого цвета с коричневатым или серым оттенком.
- ЧТО ТАКОЕ ХРОМПИК? Точнее - хромпик калиевый. Это оранжевые кристаллы состава K 2 Cr 2 O 7 . Хромпик используют в производстве красителей, а его растворы - для «хромового» дубления кож, а также в качестве протравы при окраске и печатании тканей. Раствор хромпика в серной кислоте - хромовая смесь, которую во всех лабораториях применяют для мытья стеклянной посуды.
- ЗАЧЕМ НУЖНО ЕДКОЕ КАЛИ? В самом деле, зачем? Ведь свойства этой щелочи и более дешевого едкого натра практически одинаковы. Разницу между этими веществами химики обнаружили лишь в XVIII в. Самое заметное различие между NaOH и KOH в том, что едкое кали в воде растворяется еще лучше, чем едкий натр. KOH получают электролизом растворов хлористого калия. Чтобы примесь хлоридов была минимальной, используют ртутные катоды. А нужно это вещество прежде всего как исходный продукт для получения различных солей калия. Кроме того, без едкого кали не обойтись в производстве жидких мыл, некоторых красителей и органических соединений. Раствор едкого кали используется в качестве электролита в щелочных аккумуляторах.
- СЕЛИТРА ИЛИ СЕЛИТРЫ? Правильнее - селитры. Это общее название азотнокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Если же говорят просто «селитра» (не «натриевая» или «кальциевая» или «аммиачная», а просто - «селитра»), то имеют в виду нитрат калия. Этим веществом человечество пользуется уже больше тысячи лет - для получения черного пороха. Кроме того, селитра - первое двойное удобрение: из трех важнейших для растений элементов в ней есть два - азот и калий. Вот как описал селитру Д. И. Менделеев в «Основах химии»:
«Селитра представляет бесцветную соль, имеющую особый прохладительный вкус. Она легко кристаллизуется длинными, по бокам бороздчатыми, ромбическими, шестигранными призмами, оканчивающимися такими же пирамидами. Ее кристаллы (уд. вес 1,93) не содержат воды. При слабом накаливании (339°) селитра плавится в совершенно бесцветную жидкость. При обыкновенной температуре в твердом виде KNO 3 малодеятельна и неизменна, но при возвышенной температуре она действует как весьма сильное окисляющее средство, потому что может отдать смешанным с нею веществам значительное количество кислорода. Брошенная на раскаленный уголь селитра производит быстрое его горение, а механическая смесь ее с измельченным углем загорается от прикосновения с накаленным телом и продолжает сама собою гореть. При этом выделяется азот, а кислород селитры идет на окисление угля, вследствие чего и получаются углекалиевая соль и углекислый газ...
В химической практике и технике селитра употребляется во многих случаях как окислительное сродство, действующее при высокой температуре. На этом же основано применение ее для обыкновенного пороха, который есть механическая смесь мелко измельченных: серы, селитры и угля».
- ГДЕ И ДЛЯ ЧЕГО ПРИМЕНЯЮТСЯ ПРОЧИЕ СОЛИ КАЛИЯ? Бромистый калий KBr - в фотографии, чтобы предохранить негатив или отпечаток от вуали.
- Йодистый калий KI - в медицине и как химический реактив.
- Фтористый калий KF - в составе металлургических флюсов и для введения фтора в органические соединения.
- Углекислый калий (поташ) K 2 CO 3 - в стекольном и мыловаренном производствах, а также как удобрение.
- Фосфаты калия, в частности K 4 P 2 O 7 и K 5 P 3 O 10 , - как компоненты моющих средств.
- Хлорат калия (бертолетова соль) KClO 3 - в спичечном производстве и пиротехнике.
- Кремнефтористый калий K 2 SiF 6 - как добавка к шихте при извлечении редкоземельных элементов из минералов.
- Железистосинеродистый калий (желтая кровяная соль) K 4 Fe(CN) 6 -SH 2 O - как протрава при крашении тканей и в фотографии.
- ПОЧЕМУ КАЛИЙ НАЗВАЛИ КАЛИЕМ? Слово это арабского происхождения. По-арабски, «аль-кали» - зола растений. Впервые калий получен из едкого кали, а едкое кали - из поташа, выделенного из золы растений... Впрочем, в английском и других европейских языках сохранилось название potassium, данное калию его первооткрывателем X. Дэви. В русскую химическую номенклатуру название «калий» введено в 1831 г. Г. И. Гессом.
- ОТНЮДЬ HE ТОЛЬКО В КУРАГЕ. Сердечникам, в первую очередь людям, перенесшим инфаркт, для восполнения потерь калия в организме настоятельно рекомендуют есть курагу. Или в крайнем случае изюм. В 100 граммах кураги до 2 г калия. Столько же ее в урюке (но для точности при расчете надо вычесть вес косточек). Изюм содержит калия примерно вдвое меньше. Но не надо думать, будто сухофрукты - единственный источник калия. Его довольно много почти в любой растительной пище. Например, сорок граммов жареного картофеля эквивалентны 10 граммам отборной кураги. Богаты калием бобовые, чай, порошок какао. Одним словом, суточную дозу калия (2,5-5 г) при нормальном питании получить нетрудно.
(Kalium) K, химический элемент 1 (Ia) группы Периодической системы, относится к щелочным элементам. Атомный номер 19, атомная масса 39,0983. Состоит из двух стабильных изотопов 39 K (93,259%) и 41 K (6,729%), а также радиоактивного изотопа 40 K с периодом полураспада ~10 9 лет. Этот изотоп играет в природе особую роль. Его доля в смеси изотопов составляет всего 0,01%, однако именно он является источником практически всего содержащегося в земной атмосфере аргона 40 Ar, который образуется при радиоактивном распаде 40 K. Кроме того, 40 K присутствует во всех живых организмах, что, возможно, оказывает определенное влияние на их развитие.
Изотоп 40 K служит для определения возраста горных пород калий-аргоновым методом. Искусственный изотоп 42 K с периодом полураспада 15,52 года используется в качестве радиоактивного индикатора в медицине и биологии.
Степень окисления +1.
Соединения калия известны с древних времен. Поташ карбонат калия K 2 CO 3 издавна выделяли из древесной золы.
Металлический калий был получен электролизом расплавленного едкого кали (KOH) в 1807 английским химиком и физиком Гемфри Дэви. Название «potassium», выбранное Дэви, отражает происхождение этого элемента из поташа. Латинское название элемента образовано от арабского названия поташа «аль-кали». В русскую химическую номенклатуру слово «калий» введено в 1831 петербургским академиком Германом Гессом (18021850).
Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий
. М., Наука, 1970
Популярная библиотека химических элементов
. Под. ред. И.В.Петрянова-Соколова М., 1983
Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements
, Oxford: Butterworth, 1997
Найти "КАЛИЙ " на
Калии - химический элемент первой группы периодической системы Д И. Менделеева, подгруппы так называемых щелочных металлов, порядковый номер 19, атомный вес 39,1. Известны три естественных изотопа калил, имеющие следующую относительную распространенность: 93,08% К39, 0,0119% К40 и 6,91% К41. Изотоп К40 радиоактивен, остальные изотопы калия стабильны Пять радиоактивных изотопов калия: K37, К38, К42, К43 и К44 получены искусственно.Температура плавления калия 63,5°, температура кипения 760°, плотность при 20° 0,862 г/см%, твердость 0,5, удельная теплоемкость 0,17 кал, удельная электропроводность 15*10в-4 мо*см (при 10°). Нормальный электродный потенциал (по отношению к водороду), полученный косвенным путем, равен 2,92 в Теплота сублимации калия 23 ккал/г*атом. Электрохимический эквивалент калия 1,459 г/а*ч. Энергия ионизации паров калия 100 ккал/г-атом.
Пары калия зеленого цвета. В парах калия наряду с одноатомными молекулами содержится и некоторое количество двухатомных.
Калий кристаллизуется в кубической системе. Чистая поверхность калия обладает серебристым блеском. Тонкие пластинки калия просвечивают с фиолетовым оттенком. При комнатной температуре калий мягок, на холоду становится хрупким.
Калий энергично соединяется с большинством металлоидов; особенно ярко выражено его сродство к галоидам и к элементам кислородной группы.
Свежая блестящая поверхность калия на воздухе быстро окисляется и тускнеет. Окисление может протекать столь энергично, что металл плавится и воспламеняется с характерным фиолетовым пламенем, образуя при недостатке кислорода окись калия Абсолютно сухой кислород с калием не взаимодействует даже при нагревании. Во влажном кислороде при его избытке или при высокой температуре калий сгорает с образованием перекиси калия, К2О2.
Калий бурно разлагает воду по реакции
2К + 2Н2О = 2КОН + Н2;
выделяющийся водород в присутствии воздуха обычно воспламеняется.
С хлором, фтором и парами брома, калий образует соответствующие галоидные соединения. С йодом он соединяется со вспышкой, с жидким бромом - со взрывом. С серой, селеном и теллуром калий энергично реагирует при легком нагревании; он непосредственно соединяется также с фосфором, мышьяком и сурьмой.
С ртутью калий образует амальгамы, с натрием дает сплав, жид кий при комнатной температуре. При 400° калий медленно поглощает водород с образованием гидрида КН.
Металлический калий растворим в жидком аммиаке. Эти растворы обладают высокой электропроводностью достигающей по величине электропроводность металлической ртути.
В природе калий встречается только в виде различных солей и силикатов Количество его в земной коре весьма велико--2,4%.
В форме хлоридов - минералов сильвинита (KCl+NaCl), карнал лита (KCh*MgCl2*6H2O, каинитa (KCl*MgSO4*3H2O) - калий встречается в соляных месторождениях, в морской и озерной воде. Самое крупное в мире месторождение хлористого калия находится в России в Соликамске. В Прикарпатском районе имеется соляное месторождение, содержащее лангбейнит (2MgSО4*KbSO4*H2O).
В форме силикатов - полевых шпатов, нефелинов, сиенитов, лейцитов и др. - калий встречается в больших количествах, например, на Кольском полуострове (нефелины), в Красноярском крае (ужурские нефелиновые сиениты), в Армянской CCP (сиениты) и т. п.
Металлический калий впервые получен Деви в 1807 г. электролизом твердого, слегка влажного едкого кали Позднее Гей-Люссак и Тенар получали калий в значительных количествах, прокаливая едкое кали с углем в стальной трубке.
Первоначально металл применялся в основном для изучения его физико-химических свойств. Впоследствии металлический калий начал находить более широкое применение в различных областях науки и техники.
Так, жидкий сплав калия с натрием используется вместо ртути при изготовлении термометров. Металлический калий применяется в производстве калий-дивинилового каучука. Особо широкое применение нашел калий при получении тетраокиси калия - полупродукта в производстве регенеративных веществ, например - для поглощения углекислоты и влаги.
16.07.2019
Подходить к выбору автосалона необходимо так же ответственно, как и к покупке самого транспортного средства. Дело в том, что автомобильные салоны, предлагающие машины...
16.07.2019
На сегодняшний день действует большое количество дилеров разных марок транспортных средств. Однако далеко не все они являются одинаково хорошими и честными по отношению...
16.07.2019
Согласно сведениям, озвученным гендиректором Департамента энергии и природных ресурсов Индонезии Бамбангом Гатотом Арийоноо, через три года на территории государства...
16.07.2019
В процессе покупки машины важно отыскать надёжного автодилера, заслуживающего доверия, с которым вам будет комфортно сотрудничать. Статистические данные говорят о том,...
16.07.2019
На сегодняшний день сваи железобетонные активно применяют при возведении разнообразных объектов. Они способны принимать на себя значительную часть нагрузок, поскольку...
16.07.2019
Сотрудники органов исполнительной власти Перу не так давно приняли решение по поводу выдачи корпорации Southern Copper, владельцем которой выступает предприятие из...
15.07.2019
15.07.2019
С развитием технического прогресса миру было явлено множество различной техники и оборудования. И одними из необходимых машин в современном строительстве, производстве и...
15.07.2019
В традиционном и привычном видении, мягкая мебель представляет собой два кресла и диван. Тем не менее, в настоящий момент мягкая мебель приобрела более расширенный...
15.07.2019
Девять лет назад были внесены определённые изменения в лицензирование определённых сфер в области обеспечения безопасности. С этого момента строительные и другие фирмы...
Калий (Kalium), K , химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 19, атомная масса 39,098; серебряно-белый, очень легкий, мягкий и легкоплавкий металл. Элемент состоит из двух стабильных изотопов - 39 K (93,08%), 41 K (6,91%) и одного слабо радиоактивного 40 K (0,01%) с периодом полураспада 1,32·10 9 лет.
Историческая справка. Некоторые соединения Калия (например, поташ, добывавшийся из древесной золы) были известны уже в древности; однако их не отличали от соединений натрия. Только в 18 веке было показано различие между "растительной щелочью" (поташем K 2 СО 3) и "минеральной щелочью" (содой Na 2 CO 3). В 1807 году Г. Дэви электролизом слегка увлажненных твердых едких кали и натра (KOH и NaOH) выделил Калий и натрий и назвал их потассием и содием. В 1809 году Л. В. Гильберт предложил название "калий" (от арабского аль-кали - поташ) и "натроний" (от арабского натрун - природная сода); последнее И. Я. Берцелиус в 1811 году изменил на "натрий". Название "потассий" и "содий" сохранились в Великобритании, США, Франции и некоторых других странах. В России эти названия в 1840-х годах были заменены на "калий" и "натрий", принятые в Германии, Австрии и Скандинавских странах.
Распространение Калия в природе. Калий - распространенный элемент: содержание в литосфере 2,50% по массе. В магматических процессах Калий, как и натрий, накапливается в кислых магмах, из которых кристаллизуются граниты и других породы (среднее содержание Калия 3,34%). Калий входит в состав полевых шпатов и слюд. В основных и ультраосновных породах, богатых железом и магнием, Калия мало. На земной поверхности Калий, в отличие от натрия, мигрирует слабо. При выветривании горных пород Калий частично переходит в воды, но оттуда его быстро захватывают организмы и поглощают глины, поэтому воды рек бедны Калием и в океан его поступает много меньше, чем натрия. В океане Калий поглощается организмами и донными илами (например, входит в состав глауконита); поэтому океанические воды содержат лишь 0,038% Калия - в 25 раз меньше, чем натрия. В прошлые геологические эпохи, особенно в пермском периоде (около 200 млн. лет назад) на поздних стадиях испарения морской воды в лагунах, после осаждения NaCl, кристаллизовались соли Калия и магния - карналлит KCl·MgCl 2 ·6H 2 O и другие (Соликамское месторождение в России, Штасфуртское в Германии и т. д.). В большинстве почв растворимых соединений Калия мало, и культурные растения нуждаются в калийных удобрениях.
Радиоактивный изотоп 40 K - важный источник глубинного тепла, особенно в прошлые эпохи, когда этого изотопа было больше. При распаде 40 K образуются 40 Ca и аргон 40 Ar, уходящий в атмосферу. Некоторые минералы Калия не теряют аргона, и по его содержанию можно определить абсолютный возраст горных пород (так называемый калий-аргоновый метод).
Физические свойства Калия. Калий - серебряно-белый, очень легкий и мягкий металл (без труда режется ножом). Кристаллическая решетка Калия объемноцентрированная кубическая, а = 5,33 Å. Атомный радиус 2,36 Å, ионный радиус K + 1,33 Å. Плотность 0,862 г/см 3 (20 °C), t пл 63,55 °C, (кип 760 °C; коэффициент термического расширения 8,33·10 -5 (0-50 °C); теплопроводность при 21°C 97,13 вт/(м-Калий) ; удельная теплоемкость (при 20 °C) 741,2 дж/(кг·К), то есть 0,177 кал/(г·°C), удельное электросопротивление (при 20 °C) 7,118·10 -8 ом·м; температурный коэффициент электросопротивления 5,8·10 -5 (20 °C). Твердость по Бринеллю 400 кн/м 2 (0,04 кгс/мм 2).
Химические свойства Калия. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Калия 4s 1 , 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 KN 3 и нитрид Калия K 3 N. При нагревании Калия с графитом получаются карбиды KC 8 (при 300 °С) и KC 16 (при 360 °C). В сухом воздухе (или кислороде) Калий образует желтовато-белый оксид K 2 O и оранжевый пероксид KO 2 (известны также перекиси K 2 O 2 и K 2 O 3 , получаемые действием кислорода на раствор Калия в жидком аммиаке).
Калий весьма энергично, иногда со взрывом реагирует с водой, выделяя водород (2К + 2Н 2 О = 2KOH + H 2), а также с водными растворами кислот, образуя соли. В аммиаке Калий медленно растворяется; полученный синий раствор - сильный восстановитель. При нагревании Калий отнимает кислород от оксидов и солей кислородных кислот с образованием K 2 O и свободных металлов (или их оксидов). Калий со спиртами дает алкоголяты, ускоряет полимеризацию олефинов и диолефинов, с галогеналкилами и галогенарилами образует калийалкилы и калийарилы. Присутствие Калия легко определить по фиолетовому окрашиванию пламени.
Получение Калия. В промышленности Калий получают по обменным реакциям между металлическим натрием и KOH или же KCl, соответственно: KOH + Na = NaOH + К, KCl + Na = NaCl + К.
В первом случае реакция идет между расплавленным гидрооксидом KOH и жидким Na - противотоком в тарельчатой реакционной колонке из никеля при 380-440 °С. Во втором - через расплавленную соль KCl пропускают пары Na при 760-800 °С; выделяющиеся пары Калия конденсируют. Возможно также получение Калия нагреванием выше 200 °C смесей хлорида Калия с алюминием (или кремнием) и известью. Получение Калия электролизом расплавленных KOH или KCl мало распространено вследствие низких выходов Калия по току и трудности обеспечения безопасности процесса.
Применение Калия. Основное применение металлического Калия - приготовление пероксида Калия, служащего для регенерации кислорода (в подводных лодках и других). Сплавы натрия с 40-90% Калия, сохраняющие жидкое состояние при комнатной температуре, используются в ядерных реакторах как теплоносители, как восстановители в производстве титана и как поглотители кислорода. Сельское хозяйство - главный потребитель солей Калия.
Калий в организме. Калий - один из биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Суточная потребность в Калии у взрослого человека (2-3 г) покрывается за счет мяса и растительных продуктов; у грудных детей потребность в Калии (30 мг/кг) полностью покрывается грудным молоком, в котором 60-70 мг% Калия. 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, Калий сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его много меньше. В клетке Калий распределен неравномерно.
Ионы Калия участвуют в генерации и проведении биоэлектрических потенциалов в нервах и мышцах, в регуляции сокращений сердца и других мышц, поддерживают осмотическое давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм Калия тесно связан с углеводным обменом; ионы Калия влияют на синтез белков. K + в большинстве случаев нельзя заменить на Na + . Клетки избирательно концентрируют K + . Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу K + 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 Калий распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много Калия в бобовых, свекле, 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 сельскохозяйственной культуры и почвы.
В биосфере микроэлементы Rb и Cs сопутствуют Калию. Ионы Li + и Na + - антагонисты K + , поэтому важны не только абсолютные концентрации K + и Na + , но и оптимальные соотношения K + /Na + в клетках и среде. Естественная радиоактивность организмов (гамма-излучение) почти на 90% обусловлена присутствием в тканях естественного радиоизотопа 40 K.
Содержание статьи
КАЛИЙ (Kalium) K, химический элемент 1 (Ia) группы Периодической системы, относится к щелочным элементам. Атомный номер 19, атомная масса 39,0983. Состоит из двух стабильных изотопов 39 K (93,259%) и 41 K (6,729%), а также радиоактивного изотопа 40 K с периодом полураспада ~10 9 лет. Этот изотоп играет в природе особую роль. Его доля в смеси изотопов составляет всего 0,01%, однако именно он является источником практически всего содержащегося в земной атмосфере аргона 40 Ar, который образуется при радиоактивном распаде 40 K. Кроме того, 40 K присутствует во всех живых организмах, что, возможно, оказывает определенное влияние на их развитие.
Изотоп 40 K служит для определения возраста горных пород калий-аргоновым методом. Искусственный изотоп 42 K с периодом полураспада 15,52 года используется в качестве радиоактивного индикатора в медицине и биологии.
Степень окисления +1.
Соединения калия известны с древних времен. Поташ – карбонат калия K 2 CO 3 – издавна выделяли из древесной золы.
Металлический калий был получен электролизом расплавленного едкого кали (KOH) в 1807 английским химиком и физиком Гемфри Дэви. Название «potassium», выбранное Дэви, отражает происхождение этого элемента из поташа. Латинское название элемента образовано от арабского названия поташа – «аль-кали». В русскую химическую номенклатуру слово «калий» введено в 1831 петербургским академиком Германом Гессом (1802–1850).
Распространение калия в природе и его промышленное извлечение.
Большие отложения солей калия в сравнительно чистом виде образовались в результате испарения древних морей. Наиболее важными минералами калия для химической промышленности являются сильвин (KCl) и сильвинит (смешанная соль NaCl и KCl). Калий встречается также в виде двойного хлорида KCl·MgCl 2 ·6H 2 O (карналлит) и сульфата K 2 Mg 2 (SO 4) 3 (лангбейнит). Массивные слои солей калия были впервые обнаружены в Стассфурте (Германия) в 1856. Из них с 1861 по 1972 в промышленных масштабах добывали поташ.
Океанская вода содержит около 0,06% хлорида калия. В некоторых внутренних водоемах, таких как озеро Солт-Лейк или Мертвое море, его концентрация может достигать 1,5%, что делает экономически целесообразной добычу элемента. В Иордании построен огромный завод, способный добывать миллионы тонн солей калия из Мертвого моря.
Хотя натрий и калий почти одинаково распространены в горных породах, в океане калия примерно в 30 раз меньше, чем натрия. Это связано, в частности, с тем, что соли калия, содержащие больший катион, менее растворимы, чем соли натрия, и калий более прочно связывается в комплексных силикатах и алюмосиликатах в почве за счет ионного обмен в глинах. Кроме того, калий, который выщелачивается из горных пород, в большей степени поглощается растениями. Подсчитано, что из тысячи атомов калия, освобождающихся при химическом выветривании, только два достигают морских бассейнов, а 998 остаются в почве. «Почва поглощает калий, и в этом ее чудодейственная сила», – писал академик Александр Евгеньевич Ферсман (1883–1945).
Калий является важным элементом жизни растений, и развитие диких растений часто ограничивается доступностью калия. При недостатке калия растения медленнее растут, их листья, особенно старые, желтеют и буреют по краям, стебель становится тонким и непрочным, а семена теряют всхожесть. Плоды такого растения – это особенно заметно на фруктах – будут менее сладкими, чем у растений, получивших нормальную дозу калия. Недостаток калия возмещают удобрениями.
Калийные удобрения являются основным видом калиесодержащей продукции (95%). Больше всего используется KCl, на его долю приходится более 90% калия, используемого в качестве удобрений.
Мировое производство калийных удобрений в 2003 оценено в 27,8 млн т (в пересчете на K 2 O, содержание калия в калийных удобрениях принято пересчитывать на K 2 O). Из них 33% было произведено в Канаде. По 13% мирового производства калийных удобрений приходится на производственные объединения «Уралкалий» и «Беларуськалий».
Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического калия.
Калий – мягкий серебристо-белый металл с температурой плавления 63,51° С и температурой кипения 761° С. Придает пламени характерную красно-фиолетовую окраску, что связано с легкостью возбуждения его внешних электронов.
Химически очень активен, легко взаимодействует с кислородом, при нагревании на воздухе загорается. Основным продуктом этой реакции является надпероксид калия KO 2 .
С водой и разбавленными кислотами калий взаимодействует со взрывом и воспламенением. Серную кислоту восстанавливает до сероводорода, серы и диоксида серы, а азотную – до оксидов азота и N 2 .
При нагревании до 200–350° С калий реагирует с водородом с образованием гидрида KH. Металлический калий воспламеняется в атмосфере фтора, слабо взаимодействует с жидким хлором, но взрывается при соприкосновении с бромом и растирании с иодом. Калий реагирует с халькогенами и фосфором. С графитом при 250–500° С он образует слоистые соединения состава C 8 K–C 60 K.
Калий растворяется в жидком аммиаке (35,9 г в 100 мл при –70° С) с образованием ярко-голубых метастабильных растворов с необычными свойствами. Впервые это явление наблюдал, по-видимому, сэр Гемфри Дэви в 1808. Растворы калия в жидком аммиаке широко изучались с того момента, как они были получены Т.Вейлем в 1863.
Калий не растворяется в жидких литии, магнии, кадмии, цинке, алюминии и галлии и не реагирует с ними. С натрием образует интерметаллическое соединение KNa 2 , которое плавится с разложением при 7° С. С рубидием и цезием калий дает твердые растворы с минимальными температурами плавления около 35° С. С ртутью он образует амальгаму, содержащую два меркурида KHg 2 и KHg с температурами плавления 270 и 180° С, соответственно.
Калий энергично взаимодействует со многими оксидами, восстанавливая их до простых веществ. Со спиртами он образует алкоголяты.
В отличие от натрия, калий не удается получать электролизом расплава хлорида, так как калий очень хорошо растворяется в расплавленном хлориде и не всплывает на поверхность. Дополнительную трудность создает образование надпероксида, который реагирует с металлическим калием с взрывом, поэтому способ промышленного производства металлического калия заключается в восстановлении расплавленного хлорида калия металлическим натрием при 850° С.
Восстановление хлорида калия натрием, на первый взгляд, противоречит обычному порядку реакционной способности (калий более реакционноспособен, чем натрий). Однако, при 850–880° С устанавливается равновесие:
Na(г) + K + (ж) Na + (ж) + K(г)
Так как калий более летуч, он испаряется раньше, это смещает равновесие и способствует протеканию реакции. Фракционной перегонкой в насадочной колонне можно получить калий 99,5%-ной чистоты, но обычно для перевозки используют смесь калия с натрием. Сплавы, содержащие 15–55% натрия, являются (при комнатной температуре) жидкими, поэтому их легче транспортировать.
Иногда калий восстанавливают из хлорида другими элементами, образующими устойчивые оксиды:
6KCl + 2Al + 4CaO = 3CaCl 2 + CaO·Al 2 O 3 + 6K
Металлический калий, производство которого является более трудным и дорогим, чем производство натрия, вырабатывается в гораздо меньших количествах (мировое производство составляет около 500 т в год). Одна из важнейших областей применения – получение надпероксида KO 2 прямым сжиганием металла.
Металлический калий используют как катализатор в производстве некоторых видов синтетического каучука, а также в лабораторной практике. Сплав калия с натрием служит теплоносителем в атомных реакторах. Он же является восстановителем в производстве титана.
Калий вызывает сильные ожоги кожи. При попадании даже мельчайших его крошек в глаза возможна потеря зрения. Загоревшийся калий заливают минеральным маслом или засыпают смесью талька и хлорида натрия.
Хранят калий в герметически закрытых коробках под слоем обезвоженного керосина или минерального масла. Отходы калия утилизируют обработкой их сухим этанолом или пропанолом с последующим разложением образовавшихся алкоголятов водой.
Соединения калия.
Калий образует многочисленные бинарные соединения и соли. Почти все соли калия хорошо растворимы. Исключениями являются:
KHC 4 H 4 O 6 – гидротартрат калия
KClO 4 – перхлорат калия
K 2 Na·6H 2 O – гидрат гексанитрокобальтата(III) натрия-дикалия
K 2 – гексахлороплатинат(IV) калия
Оксид калия K 2 O образует желтоватые кристаллы. Его получают при нагревании калия с гидроксидом, пероксидом, нитратом или нитритом калия:
2KNO 2 + 6K = 4K 2 O + N 2
Используют также нагревание смеси азида калия KN 3 и нитрита калия или окисление калия, растворенного в жидком аммиаке, рассчитанным количеством кислорода.
Оксид калия – активатор губчатого железа, которое используется как катализатор в синтезе аммиака.
Пероксид калия K 2 O 2 получить из простых веществ сложно, так как он легко окисляется до надпероксида KО 2 , оэтому используют окисление металла с помощью NO. Однако наилучшим методом его получения является количественное окисление металла, растворенного в жидком аммиаке.
Пероксид калия можно рассматривать как соль двухосновной кислоты Н 2 О 2 . Поэтому при его взаимодействии с кислотами или водой на холоде количественно образуется пероксид водорода.
Надпероксид калия KO 2 (оранжевый) образуется при обычном сжигании металла на воздухе. Это соединение используется как запасной источник кислорода в дыхательных масках в шахтах, подводных лодках и космических кораблях.
При осторожном термическом разложении KO 2 образуется полуторный оксид «K 2 О 3 » в виде темного парамагнитного порошка Его можно получить также окислением металла, растворенного в жидком аммиаке, или контролируемым окислением пероксида. Предполагается, что он является динадпероксид-пероксидом [(K +) 4 (O 2 2–)(O 2 –) 2 ].
Озонид калия KО 3 можно получить при действии озона на безводный порошок гидроксида калия при низкой температуре с последующей экстракцией продукта (красного цвета) жидким аммиаком. Он используется в качестве компонента составов для регенерации воздуха в замкнутых системах.
Гидроксид калия KOH – сильное основание, относится к щелочам. Его традиционное название «едкое кали» отражает разъедающее действие этого вещества на живые ткани.
В промышленности гидроксид калия получают электролизом водных растворов хлорида или карбоната калия с железным или ртутным катодом (мировое производство составляет около 0,7 млн. т в год). Гидроксид калия можно выделить из фильтрата после отделения осадков, образующихся при взаимодействии карбоната калия с гидроксидом кальция или сульфата калия с гидроксидом бария.
Гидроксид калия применяют для получения жидкого мыла и различных соединений калия. Кроме того, он служит электролитом в щелочных аккумуляторах.
Фторид калия KF образует редкий минерал кароббиит. Получают фторид калия взаимодействием водных растворов фтороводорода или фторида аммония с гидроксидом калия или его солями.
Применяют фторид калия для синтеза различных фторсодержащих соединений калия, как фторирующий агент в органическом синтезе, а также как компонент кислотоупорных замазок и специальных стекол.
Хлорид калия KCl встречается в природе. Сырьем для его выделения служат сильвин, сильвинит, карналлит.
Из сильвинита хлористый калий получают методами галургии и флотации. Галургия (в переводе с греческого – «соляное дело») включает изучение состава и свойств природного солевого сырья и разработку способов промышленного получения из него минеральных солей. Галургический метод разделения основан на различной растворимости KCl и NaCl в воде при повышенных температурах. При нормальной температуре растворимость хлоридов калия и натрия почти одинакова. С повышением температуры растворимость хлорида натрия почти не меняется, а растворимость хлорида калия резко возрастает. На холоде готовят насыщенный раствор обеих солей, затем его нагревают и обрабатывают им сильвинит. При этом раствор дополнительно насыщается хлоридом калия, а часть хлорида натрия вытесняется из раствора, выпадает в осадок и отделяется фильтрованием. Раствор охлаждают, и из него выкристаллизовывается избыточный хлорид калия. Кристаллы отделяют на центрифугах и сушат, а маточный раствор идет на обработку новой порции сильвинита. Для выделения хлорида калия этот метод используется шире метода флотации, который базируется на разной смачиваемости веществ.
Хлорид калия является наиболее распространенным калийным удобрением. Кроме использования в качестве удобрений, он применяется, в основном, для производства гидроксида калия электролизом. Из него получают и другие соединения калия.
Бромид калия KBr получают взаимодействием брома с гидроксидом калия в присутствии аммиака, а также реакциями брома или бромидов с солями калия.
Бромид калия широко используется в фотографии. Он часто служит источником брома в органическом синтезе. Раньше бромид калия применялся как седативное средство в медицине («бром»). Монокристаллы бромида калия используют при изготовлении призм для ИК-спектрометров, а также в качестве матрицы при снятии ИК спектров твердых веществ.
Иодид калия KI образует бесцветные кристаллы, которые на свету приобретают желтоватую окраску за счет окисления кислородом воздуха и выделения иода. Поэтому иодид калия хранят в склянках из темного стекла.
Получают иодид калия взаимодействием иода с гидроксидом калия в присутствии муравьиной кислоты или пероксида водорода, а также обменными реакциями иодидов с солями калия. Он окисляется азотной кислотой до иодата калия KIO 3 . Иодид калия взаимодействует с иодом с образованием растворимого в воде комплекса K, а с хлором и бромом дает, соответственно, K и K.
Иодид калия применяется в качестве лекарственного средства в медицине и ветеринарии. Он является реактивом в иодометрии. Иодид калия – противовуалирующее вещество в фотографии, компонент электролита в электрохимических преобразователях, добавка для повышения растворимости иода в воде и полярных растворителях, микроудобрение.
Сульфид калия K 2 S хорошо растворим в воде. При гидролизе создает в растворе щелочную среду:
K 2 S = 2K + + S 2– ; S 2– + H 2 O HS – + OH –
Сульфид калия легко окисляется на воздухе, при поджигании сгорает. Получают его взаимодействием калия или карбоната калия с серой без доступа воздуха, а также восстановлением сульфата калия углеродом.
Сульфид калия является компонентом светочувствительных эмульсий в фотографии. Его используют как аналитический реагент для разделения сульфидов металлов и как компонент составов для обработки шкур.
При насыщении водного раствора сероводородом образуется гидросульфид калия KHS, который можно выделить в виде бесцветных кристаллов. Его применяют в аналитической химии для разделения тяжелых металлов.
Нагреванием сульфида калия с серой получают желтые или красные полисульфиды калия KS n (n = 2–6). Водные растворы полисульфидов калия можно получить кипячением растворов гидроксида или сульфида калия с серой. При спекании карбоната калия с избытком серы на воздухе образуется так называемая серная печень – смесь KS n и K 2 S 2 O 3 .
Применяют полисульфиды для сульфидирования стали и чугуна. Серная печень используется как лекарственное средство для лечения кожных заболеваний и как пестицид.
Сульфат калия K 2 SO 4 встречается в природе в месторождениях калийных солей и в водах соленых озер. Его можно получить обменной реакцией между хлоридом калия и серной кислотой или сульфатами других элементов.
Сульфат калия применяют как удобрение. Это вещество более дорогое, чем хлорид калия, но не гигроскопичное и не слеживающееся, в отличие от хлорида калия, сульфат калия можно применять на любых почвах, в том числе и засоленных.
Из сульфата калия получают квасцы и другие соединения калия. Он входит в состав шихты в производстве стекла.
Нитрат калия KNO 3 – сильный окислитель. Его часто называют калийной селитрой. В природе образуется при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.
Получают нитрат калия обменной реакцией между хлоридом калия и нитратом натрия, а также действием азотной кислоты или нитрозных газов на карбонат или хлорид калия.
Нитрат калия – отличное удобрение, содержащее одновременно калий и азот, однако применяется меньше, чем хлорид калия, из-за высокой стоимости производства. Нитрат калия используется и для изготовления черного пороха и пиротехнических составов, в производстве спичек и стекла. Кроме того, он применяется при консервировании мясных продуктов.
Карбонат калия K 2 CO 3 называют также поташом. Получают при действии диоксида углерода на растворы гидроксида калия или суспензии карбоната магния в присутствии хлорида калия. Является побочным продуктом при переработке нефелина в глинозем.
Значительное количество карбоната калия содержится в растительной золе. Больше всего калия в золе подсолнечника – 36,3%. В золе дров оксида калия значительно меньше – от 3,2% (еловые дрова) до 13,8% (березовые дрова). Еще меньше калия в золе торфа.
Карбонат калия используется, главным образом, для производства высококачественного стекла, используемого в оптических линзах, трубках цветных телевизоров и флуоресцентных лампах. Применяется и в производстве фарфора, красителей и пигментов.
Перманганат калия KMnO 4 образует темно-фиолетовые кристаллы. Растворы этого вещества имеют красно-фиолетовый цвет. Перманганат калия получают анодным окислением марганца или ферромарганца в сильно щелочной среде.
Перманганат калия – сильный окислитель. Его используют как обесцвечивающее, отбеливающее и очищающее средство. Применяется и в органическом синтезе, например, при производстве сахарина.
Гидрид калия KH – белое твердое вещество, при нагревании разлагается на простые вещества. Гидрид калия является сильнейшим восстановителем. Он воспламеняется во влажном воздухе и в среде фтора или хлора. Гидрид калия может быть окислен даже такими слабыми окислителями, как вода и диоксид углерода:
KH + H 2 O = KOH + H 2
KH + CO 2 = K(HCOO) (формиат калия)
Гидрид калия вступает также в реакции с кислотами и спиртами, при этом возможно воспламенение. Он восстанавливают сероводород, хлороводород и другие вещества, содержащие водород(I):
2KH + H 2 S = K 2 S + 2H 2
KH + HCl = KCl + H 2
Гидрид калия используется как восстановитель при проведении неорганических и органических синтезов.
Цианид калия KCN, известный под названием цианистый калий, образует бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и некоторых неводных растворителях. В водном растворе он постепенно гидролизуется с выделением циановодорода HCN, а при кипячении водных растворов разлагается на формиат калия и аммиак.
В присутствии цианида калия могут идти не совсем обычные реакции, например, медь реагирует с водой, выделяя из нее водород и образуя дицианокупрат(I) калия:
В подобных условиях идет взаимодействие и в случае золота. Правда, этот менее активный металл не способен окисляться водой, однако в присутствии кислорода переходит в раствор в виде цианокомплекса – дицианоаурата(I) калия:
4Au + 8KCN + 2H 2 O + O 2 = 4K + 4NaOH
Получают цианид калия взаимодействием циановодорода с избытком гидроксида калия. Он является реагентом для извлечения серебра и золота из бедных руд, компонентом электролитов для очистки платины от серебра и для гальванического золочения и серебрения. Цианид калия применяют как реактив в химическом анализе для определения серебра, никеля и ртути.
Цианид калия очень токсичен. Смертельная доза для человека 120 мг.
Комплексные соединения . Наиболее устойчивые комплексные соединения калий образует с полидентатными лигандами (молекулами или ионами, которые могут соединяться с атомом несколькими связями), например, с макроциклическими полиэфирами (краун-эфирами).
Краун-эфиры (от английского crown – корона) содержат в цикле свыше 11 атомов, из которых не менее четырех –атомы кислорода. В тривиальных названиях краун-эфиров общее число атомов в цикле и число атомов кислорода обозначают цифрами, которые ставят, соответственно, до и после слова «краун». Такие названия намного короче систематических. Например, 12-краун-4 (рис. 1) по международной номенклатуре называется 1,4,7,10,13-тетраоксоциклододекан.
Рис. 1. ГРАФИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА соединения 12-краун-4.
Краун-эфиры образуют устойчивые комплексы с катионами металлов. При этом катион включается во внутримолекулярную полость краун-эфира и удерживается там благодаря ион-дипольному взаимодействию с атомами кислорода. Наиболее устойчивы комплексы с катионами, геометрические параметры которых соответствуют полости краун-эфира. С катионом калия наиболее устойчивые комплексы образуют краун-эфиры, содержащие 6 атомов кислорода, например, 18-краун-6 (рис. 2).
Рис. 2. ГРАФИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА комплекса калияс 18-краун-6.
Биологическая роль калия (и натрия ). Калий вместе с натрием регулируют процессы обмена веществ в живых организмах. В организме человека внутри клеток содержится большое количество ионов калия (0,12–0,16 моль/л), но относительно мало ионов натрия (0,01 моль/л). Содержание ионов натрия значительно выше во внеклеточной жидкости (около 0,12 моль/л), поэтому ионы калия контролируют внутриклеточную активность, а ионы натрия – межклеточную. Эти ионы не могут заменить друг друга.
Существование натрий-калиевого градиента с внутренней и внешней стороны клеточной мембраны приводит к возникновению разности потенциалов на противоположных сторонах мембраны. Нервные волокна способны передавать импульсы, а мышцы – сокращаться именно благодаря существованию внутреннего отрицательного заряда по отношению к внешней поверхности мембраны. Таким образом, в организме ионы натрия и калия осуществляют физиологический контроль и пусковые механизмы. Они способствуют передаче нервного импульса. Психика человека зависит от баланса ионов натрия и калия в организме. Концентрацию ионов натрия и калия, задерживаемых и выделяемых через почки, контролируют некоторые гормоны. Так, минералокортикоиды способствуют увеличению выброса ионов калия и уменьшению выброса ионов натрия.
Ионы калия входят в состав ферментов, катализирующих перенос (транспорт) ионов через биомембраны, окислительно-восстановительные и гидролитические процессы. Они служат и для поддержания структуры клеточных стенок и контролируют их состояние. Ион натрия активирует несколько ферментов, которые калий не может активировать, так же как ион натрия не может действовать на калиезависимые ферменты. Когда эти ионы попадают внутрь клетки, они связываются подходящими лигандами в соответствии с их химической активностью. Роль таких лигандов выполняют макроциклические соединения, модельными аналогами которых являются краун-эфиры. Некоторые антибиотики (подобные валиномицину) транспортируют ионы калия в митохондрии.
Установлено, что для работы (Na + –K +)–АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы) – мембранного фермента, катализирующего гидролиз АТФ, нужны одновременно ионы натрия и калия. Транспортная АТФ-аза связывает и высвобождает ионы натрия и калия на определенных стадиях ферментативной реакции, поскольку сродство активных центров фермента к ионам натрия и калия изменяется по мере протекания реакции. При этом структурные изменения фермента этом приводят к тому, что катионы натрия и калия принимаются по одну сторону от мембраны, а высвобождаются по другую. Таким образом, одновременно с гидролизом АТФ происходит и селективное перемещение катионов щелочных элементов (работа так называемого Na–K-насоса).
Суточная потребность в калии у ребенка составляет 12–13 мг на 1 кг веса, а у взрослого – 2–3 мг, т.е. в 4–6 раз меньше. Большую часть необходимого ему калия человек получает из пищи растительного происхождения.
Елена Савинкина
