K · Элемент 19 · Щелочной металл
Настолько активный металл, что его необходимо беречь от воздуха, и настолько важный, что без него не работает ни одна клетка вашего организма.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение калий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 227 pm — это 0,227 нм, поэтому около 2,2 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Калий находится в жидком состоянии в диапазоне 695 K — от 337 K до 1032 K.
История
Мягкий металл, бурно реагирующий с водой. Незаменимый питательный элемент.
В 1807 году 29-летний британский химик по имени Хамфри Дэви был увлечён революционно новым методом, называемым электролизом. Работая в Королевском институте в Лондоне, Дэви уже прославился эффектными публичными демонстрациями химических опытов, но вскоре ему предстояло совершить одно из самых опасных открытий в истории науки.
Изобретение Алессандро Вольты — электрической батареи в 1800 году — открыло совершенно новые возможности для химии. Дэви понял, что этот мощный новый инструмент может разложить вещества, которые не поддавались всем прежним попыткам анализа.
Объектом исследования был поташ (карбонат калия) — загадочная щёлочь, получаемая из древесной золы и озадачивавшая химиков на протяжении столетий. Был ли это составной или простой элемент? Предыдущие попытки с использованием нагревания и химических реакций полностью провалились.
Подготовка: Дэви расплавил поташ в платиновой ложке и вставил платиновые проволоки, соединённые с мощной вольтовой батареей. Когда электрический ток проходил через расплавленную щёлочь, на отрицательном электроде произошло нечто необычное.
Момент открытия: «Я никогда не забуду восторженной радости, которую испытал, — писал Дэви, — когда шарики нового металла поднялись из-под поверхности щёлочи». Появились крошечные металлические шарики, но при контакте с воздухом они немедленно вспыхнули ярким фиолетовым пламенем.
Опасность: Эти металлические шарики были настолько реакционноспособными, что взрывались при контакте с влагой в воздухе. Дэви выделил первый щелочной металл — калий, — но обращение с ним неоднократно едва не стоило ему жизни.
Необычные свойства: Дэви обнаружил, что этот новый металл легче воды (он плавал!), мягче воска (его можно было резать ножом) и настолько реакционноспособен, что для предотвращения взрыва его приходилось хранить под маслом.
Название: Дэви назвал его «potassium» от английского слова «potash». Интересно, что в большинстве других языков используется название «kalium» (от арабского «qali», означающего щёлочь), поэтому символом является «K».
Непосредственное значение: Всего несколько дней спустя Дэви использовал тот же метод для выделения натрия, доказав, что вещества, которые химики считали простыми, на самом деле являются соединениями этих чрезвычайно реакционноспособных металлов.
Проблемы безопасности: В течение нескольких месяцев Дэви и его ассистенты получали ожоги и сталкивались со взрывами, обучаясь обращению с калием. Они обнаружили, что его необходимо резать под жидким парафином и что он ни в коем случае не должен соприкасаться с водой (он взрывается бурно).
Наследие: Открытие Дэви произвело революцию в химии, доказав, что электрические силы могут разлагать вещества, ранее считавшиеся простыми. Это открыло путь к выделению многих других элементов и утвердило электрохимию как фундаментальную науку.
Награда Наполеона: Несмотря на войну между Британией и Францией, в 1808 году Наполеон наградил Дэви золотой медалью за открытие калия и натрия, заявив, что научные достижения выходят за пределы национальных границ.
Современное значение: Опасные эксперименты Дэви заложили основу современной электрохимии, включая перезаряжаемые батареи, гальваническое нанесение покрытий и производство алюминия — отрасли, которые сегодня оцениваются в миллиарды долларов.
Применение
Калий абсолютно необходим для роста растений и является основой современного сельского хозяйства. Как один из трёх основных макроэлементов (N-P-K), калий регулирует водный баланс, активирует ферменты и участвует в фотосинтезе растений.
Производство удобрений: Хлорид калия (KCl) добывают из подземных залежей методом растворения. Нагретая вода растворяет соляные отложения, образуя рассол, который откачивают на поверхность и выпаривают в огромных кристаллизационных бассейнах. Полученные кристаллы с розоватым оттенком содержат 95–99% чистого KCl.
Используемые формы: Сульфат калия (K₂SO₄) для чувствительных к хлоридам культур, таких как табак и картофель; нитрат калия (KNO₃) для высокоценных культур, которым нужны и калий, и азот; фосфат калия для точного земледелия.
Производство мыла и моющих средств: Гидроксид калия (KOH), известный как едкое кали, получают электролизом рассола хлорида калия. В ходе процесса на катоде образуется KOH, а на аноде — газообразный хлор. KOH позволяет получать более мягкое и растворимое мыло по сравнению с аналогами на основе натрия.
Стекольная промышленность: Карбонат калия (K₂CO₃) действует как флюс при производстве стекла, снижая температуру плавления кремнезёма и создавая более твёрдое и блестящее стекло. Поэтому высококачественная хрустальная посуда часто содержит калий вместо натрия.
Производство пороха: Нитрат калия (селитра) служит окислителем в чёрном порохе, обеспечивая горение кислородом. В современных бездымных порохах соединения калия по-прежнему используются для регулирования скорости горения и уменьшения дульной вспышки.
Химия фейерверков: Различные соединения калия создают определённые цвета: хлорат калия — ярко-белый, перхлорат калия — насыщенно-красный, а фторид алюминия-калия — фиолетовые оттенки. Сам ион калия горит характерным фиолетовым пламенем.
Системы теплообмена: Жидкие калий-натриевые сплавы (NaK) используются как теплоносители в ядерных реакторах и космических системах благодаря отличным свойствам теплообмена и низкому давлению пара при высоких температурах.
Фотография: Бромид калия и феррицианид калия необходимы при традиционной обработке чёрно-белых фотографий: они регулируют контраст и обеспечивают точное проявление изображения.
Откуда он происходит
20900 мг/кг земной коры · более распространён, чем 94% элементов
Калий занимает 7-е место по распространённости среди элементов земной коры (2,09% по массе), поэтому встречается чаще натрия, несмотря на большую заметность натрия в океанах. Такая распространённость отражает роль калия в основных породообразующих минералах, сформировавших нашу планету.
Основные источники минералов:
Саскачеван, Канада: Здесь находятся крупнейшие в мире запасы калийных солей, сформировавшиеся 400 млн лет назад, когда бассейн Уиллистон был мелководным морем. Шахта Эстергази уходит на 1 километр под землю.
Мёртвое море, Израиль/Иордания: Рассол содержит 1,4% калия, который добывают в бассейнах солнечного испарения, создающих разноцветную палитру из-за различной концентрации минералов.
Уральские горы, Россия: Древние эвапоритовые пласты обеспечивают 20% мировой добычи; некоторые шахты работают ещё с советского периода.
Карлсбад, Нью-Мексико: Пермский бассейн содержит обширные залежи калийных солей, сформировавшиеся, когда древние моря испарились 250 млн лет назад.
Концентрация в морской воде: Современные океаны содержат около 380 частей на миллион калия; его уровень поддерживается равновесием между поступлением с реками и поглощением морскими организмами и глинистыми минералами.
Большое Солёное озеро: Содержит концентрированные калийные рассолы, которые промышленно добывают вместе с натрием и магнием.
Нуклеосинтез: Калий-39 образуется при горении кислорода в массивных звёздах, когда кремний-28 захватывает альфа-частицы. Для этого процесса необходима температура выше 1,5 млрд кельвинов.
Образование в сверхновых: Калий-40, радиоактивный изотоп, создаётся во время взрывного нуклеосинтеза в сверхновых и участвует в нагревании недр Земли благодаря радиоактивному распаду.
Метеориты: Хондритовые метеориты содержат калий в минералах полевого шпата, что даёт сведения о составе ранней Солнечной системы и формировании каменистых планет.
Формирование почвы: Выветривание полевого шпата и слюды высвобождает ионы калия, становящиеся доступными для растений. Глинистые минералы могут удерживать и постепенно высвобождать этот калий.
Поглощение растениями: Корневые системы активно переносят калий против градиента концентрации, накапливая его в 1000 раз сильнее по сравнению с почвенными растворами. Этот процесс требует значительных затрат метаболической энергии.
Обращение
Уровень риска: ВЫСОКИЙ — металлический калий чрезвычайно опасен и требует специальных процедур обращения.
Металлический калий: Должен храниться под минеральным маслом или керосином в герметичных контейнерах с инертной атмосферой. Никогда не храните его рядом с источниками воды или окислителями.
Соединения калия: Храните в сухом прохладном месте вдали от кислот и окислителей. Держите контейнеры плотно закрытыми, чтобы предотвратить поглощение влаги.
Требования к разделению: Храните соединения калия отдельно от солей аммония, которые при нагревании могут образовывать взрывоопасные смеси.
OSHA PEL (допустимый предел воздействия): Для металлического калия специальный предел не установлен (из-за его высокой реакционной способности он не подходит для обычного воздействия)
Пищевой калий: Взрослым необходимо 3500–4700 мг в день. Большинство людей получает недостаточно калия (в среднем около 2600 мг)
Порог токсичности: Гиперкалиемия (избыток калия) возникает при концентрации выше 5,5 мЭкв/л в крови и может вызывать нарушения сердечного ритма
Контакт кожи с металлом: Немедленно промывайте большим количеством воды не менее 15 минут. Снимите загрязнённую одежду. При ожогах срочно обратитесь за медицинской помощью.
Попадание в глаза: Промывайте глаза водой не менее 15 минут, удерживая веки открытыми. Если возможно, снимите контактные линзы. Немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Вдыхание пыли или паров: Немедленно выведите пострадавшего на свежий воздух. При затруднённом дыхании обеспечьте подачу кислорода и обратитесь за медицинской помощью.
Проглатывание: НЕ вызывайте рвоту. Прополощите рот водой. Давайте пить небольшими порциями. Немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Пожары калия: НИКОГДА не используйте воду. Применяйте огнетушитель класса D (сухой песок, хлорид натрия или специальные средства тушения металлических пожаров)
Действия при разливе: Эвакуируйте помещение. Проветрите его. Накройте рассыпанный калий сухим песком или маслом. Не допускайте контакта с влагой.
Опасность взрыва: При контакте калия с водой образуется взрывоопасный газообразный водород. Немедленно устраните все источники воспламенения.
Краткие ответы
Калий (символ K) — элемент 19 в периодической таблице, представитель семейства Щелочной металл в 4 периоде, 1 группе. Настолько активный металл, что его необходимо беречь от воздуха, и настолько важный, что без него не работает ни одна клетка вашего организма. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 4s¹; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 8, 1.Калий плавится при 336.5 K (63.4 °C) и кипит при 1032 K (758.9 °C).
Стандартная атомная масса Калий составляет 39.098 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Калий составляет 0.89 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Калий плавает.
Электроотрицательность Калий по шкале Полинга составляет 0.82. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Такое низкое значение означает, что он легко отдаёт свои внешние электроны, образуя положительные ионы.
Калий был открыт в 1807 году Humphry Davy. Назван в честь английское potash; символ происходит от латинского kalium.
На долю Калий приходится около 2.09% земной коры — это один из самых распространённых элементов.