19 K 钾 39.098
碱金属 s区 第4周期 第1族

钾

K · 元素19 · 碱金属

活泼到必须隔绝空气保存,又重要到你身体里的任何细胞都无法离开它正常工作。

20°C时的状态 固态
原子量 39.098 u
电子排布[Ar] 4s¹

结构

钾原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示钾在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 0.89 g/cm³ 10%
熔点 336.5 K 19%
沸点 1032 K 25%
比热容 0.757 J/g·K
热导率 103 W/m·K 83%

原子

原子半径 227 pm 79%
共价半径 203 pm
范德华半径 275 pm

电子

电负性 0.82 2%
电离能 418.7 kJ/mol 3%
电子亲和能 48.2 kJ/mol 41%

存在情况

地壳中的丰度 20900 mg/kg 94%

身份

符号K
原子序数19
原子量39.098 u
类别碱金属
区s
晶体结构体心立方
氧化态-1, +1
发现1807
发现者Humphry Davy

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

钾的原子有多大?

半径227 pm——即0.227 nm,因此大约2.2百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

钾在695 K的范围内呈液态,温度从337 K到1032 K。

所在位置

在表中的位置

钾位于第4周期、第1族。 第1族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他碱金属

所有碱金属

背后的故事

钾是什么,以及我们如何发现它

会与水发生剧烈反应的软金属。人体必需的营养元素。

钾的发现

钾的发现——危险与决心的故事

汉弗里·戴维爵士——大胆的化学家

1807年,一位名叫汉弗里·戴维的29岁英国化学家痴迷于一种称为电解的革命性新技术。戴维在伦敦皇家学院工作,已经因戏剧性的公开化学演示而声名鹊起,但他即将作出科学史上最危险的发现之一。

伏打电堆革命

亚历山德罗·伏打发明的电池于1800年问世,为化学打开了全新的可能性。戴维意识到,这种强大的新工具或许能够分解此前所有分析尝试都无法分解的物质。

目标是:草木灰(碳酸钾),一种从木灰中获得的神秘碱,几个世纪以来一直令化学家困惑。它究竟是化合物还是元素?此前使用加热和化学反应的尝试都彻底失败了。

1807年10月6日——爆炸性的发现

实验设置:戴维在铂匙中熔化草木灰,并插入连接强力伏打电池的铂丝。当电流通过熔融的碱时,负电极处发生了非同寻常的事情。

发现时刻:戴维写道:“我永远不会忘记自己感受到的狂喜,”他说,“当新金属的小球从碱的表面下升起时。”微小的金属球出现了,但一接触空气,便立即伴随着耀眼的紫色光芒燃烧起来!

危险:这些金属球的反应性极强,接触空气中的水分就会爆炸。戴维分离出了第一种碱金属——钾——但处理它的过程曾多次险些夺走他的生命。

认识这种新金属

惊人的性质:戴维发现,这种新金属的密度比水小(会漂浮!),比蜡更软(可以用刀切割),而且反应性强到必须储存在油中以防爆炸。

名称:戴维根据英语单词“potash”将其命名为“potassium”。有趣的是,大多数其他语言使用“kalium”(源自阿拉伯语“qali”,意为碱),这就是其符号为“K”的原因。

科学革命

直接影响:仅仅几天后,戴维便用相同的技术分离出钠,证明化学家认为的简单物质实际上是这些反应性极强金属的化合物。

安全挑战:数月间,戴维和他的助手在学习处理钾的过程中遭受灼伤和爆炸。他们发现必须在液体石蜡下切割钾,而且绝不能让它接触水(会发生剧烈爆炸)。

遗产:戴维的发现证明电力能够分解此前被认为是元素的物质,从而彻底改变了化学。这为分离许多其他元素铺平了道路,并确立了电化学作为基础科学的地位。

表彰和影响

拿破仑的奖项:尽管当时英国和法国正处于战争状态,拿破仑仍于1808年授予戴维一枚金质奖章,以表彰他发现钾和钠,并宣称科学成就超越国界。

现代意义:戴维的危险实验为现代电化学奠定了基础,包括可充电电池、电镀和铝生产——这些如今都是价值数十亿美元的行业。

用途

钾的用途

钾的工业用途

农业行业——植物的动力源

钾对植物生长至关重要,是现代农业的基础之一。作为三种主要大量营养元素之一(N-P-K),钾调节植物的水分平衡、酶活化和光合作用。

肥料生产过程:氯化钾(KCl)通过溶液采矿从地下矿床中提取。热水溶解盐矿床,形成卤水;卤水被泵送到地表,并在大型结晶池中蒸发。最终形成的粉红色晶体纯度为95-99%的KCl。

使用形式:硫酸钾(K₂SO₄)用于烟草和马铃薯等对氯敏感的作物;硝酸钾(KNO₃)用于同时需要钾和氮的高价值作物;磷酸钾用于精准农业。

化学制造

肥皂和洗涤剂生产:氢氧化钾(KOH),又称苛性钾,通过电解氯化钾卤水制得。该过程在阴极生成KOH,在阳极生成氯气。与钠基替代品相比,KOH制成的肥皂更柔软、溶解性更好。

玻璃行业:碳酸钾(K₂CO₃)在玻璃制造中充当助熔剂,降低二氧化硅的熔点,并制成更坚硬、更明亮的玻璃。这就是高品质水晶玻璃器皿通常含钾而不是钠的原因。

烟火和炸药

火药制造:硝酸钾(硝石)在黑火药中充当氧化剂,为燃烧提供氧气。现代无烟火药仍使用钾化合物来控制燃烧速率并减少枪口焰。

烟花化学:不同的钾化合物会产生特定颜色——氯酸钾产生明亮的白色, 高氯酸钾产生强烈的红色,氟铝酸钾产生紫色。钾离子本身燃烧时会产生特征性的紫色火焰。

特殊工业用途

传热系统:液态钾钠合金(NaK)凭借出色的传热性质和高温下较低的蒸气压,被用作核反应堆和航天应用中的冷却剂。

摄影:溴化钾和铁氰化钾是传统黑白照片处理中的重要物质,用于控制反差并实现精确显影。

钾在现实生活中的用途

健康和营养

  • 膳食补充剂:葡萄糖酸钾、柠檬酸钾和氯化钾片剂(品牌如NOW Foods、Nature Made)
  • 运动饮料:Gatorade、Powerade、BodyArmor含有钾电解质
  • 盐替代品:Morton Salt Substitute、NoSalt(用氯化钾替代钠)
  • 香蕉的钾含量:一根中等大小的香蕉含有422mg钾(每日摄入量的12%)
  • 医疗用途:用于高血压和心脏疾病患者的处方治疗

家庭用品

  • 软水器:氯化钾颗粒(Morton、Diamond Crystal品牌)
  • 烘焙:酒石粉(酒石酸氢钾)——稳定蛋白,防止糖结晶
  • 食品保存:山梨酸钾(E202)可防止奶酪、葡萄酒和干果发霉
  • 融冰:环保型氯化钾除冰剂(Safe Step、Morton品牌)

园艺和农业

  • 肥料:Miracle-Gro、Scotts和Osmocote含有促进开花和结果的钾
  • 有机选择:海带粉、木灰和花岗岩粉可天然提供钾
  • 水培:用于无土栽培系统的精确硝酸钾溶液
  • 草坪养护:富含钾的秋季肥料帮助草坪应对冬季胁迫

实验室和科学领域

  • 焰色反应:钾产生独特的紫色火焰,可用于元素鉴定
  • 缓冲溶液:磷酸钾缓冲液在生物实验中维持pH
  • 细胞培养:生长培养基中的氯化钾维持细胞渗透压
  • 分析化学:高锰酸钾在滴定中作为强氧化剂

来源

自然存在

地壳中含量为20900 mg/kg · 比94%的元素更丰富

钾在自然界中的存在位置

地球的地质分布

钾是地壳中含量第7丰富的元素(按质量计为2.09%),尽管钠在海洋中的存在更为显著,钾却比钠更常见。这种丰度反映了钾在构成地球的基础造岩矿物中的作用。

主要矿物来源:

  • 钾盐(KCl):最重要的商业来源,存在于古代海洋形成的蒸发岩矿床中
  • 光卤石(KCl·MgCl₂·6H₂O):在海水蒸发的最后阶段形成
  • 钾盐镁矾(KCl·MgSO₄·3H₂O):存在于海相蒸发岩层序中
  • 硫酸钾镁(K₂Mg₂(SO₄)₃):钾和镁的重要来源

全球主要矿床

加拿大萨斯喀彻温省:拥有世界上最大的钾盐储量,形成于4亿年前,当时威利斯顿盆地是一片浅海。埃斯特哈齐矿延伸至地下1千米。

以色列/约旦死海:卤水含有1.4%的钾,通过太阳能蒸发池提取;不同矿物浓度形成了彩虹般的色彩。

俄罗斯乌拉尔山脉:古老的蒸发岩层提供了世界产量的20%,部分矿山自苏联时代起就已运营。

新墨西哥州卡尔斯巴德:二叠纪盆地含有丰富的钾盐层,这些矿层形成于2.5亿年前古代海洋蒸发之时。

海洋和水生环境

海水浓度:现代海洋中约含380ppm的钾,这一含量由河流输入与海洋生物和黏土矿物吸收之间的平衡维持。

大盐湖:含有浓缩的钾卤水,可与钠和镁一同进行商业提取。

恒星和宇宙形成

核合成:钾-39在大质量恒星内部通过氧燃烧形成,此时硅-28俘获α粒子。该过程需要超过1.5 billion K的温度。

超新星生成:放射性同位素钾-40在超新星的爆炸性核合成过程中形成,并通过放射性衰变为地球内部热量作出贡献。

陨石:球粒陨石在长石矿物中含有钾,为研究早期太阳系的组成和岩质行星的形成提供线索。

生物富集

土壤形成:长石和云母风化后释放钾离子,使其可被植物吸收。黏土矿物能够捕获钾,并随着时间推移缓慢释放。

植物吸收:根系主动逆浓度梯度运输钾,使植物中的钾浓度达到土壤溶液的1000倍。这一过程需要大量代谢能量。

处理

安全

钾的安全信息

危险分类

风险等级:高——钾金属极其危险,需要专门的操作程序。

  • 反应性:与水剧烈反应,产生氢气和热量(有爆炸风险)
  • 火灾危险:在空气中自发点燃,燃烧时产生强烈的紫色火焰
  • 毒性:钾化合物通常毒性较低,但某些形式可能造成化学灼伤
  • 环境影响:钾盐通常对环境安全,并且是必需的营养物质

个人防护装备(PPE)

  • 眼部防护:带侧护板的护目镜(符合ANSI Z87.1等级)
  • 手部防护:搬运容器时佩戴皮手套,绝不要直接接触钾金属
  • 身体防护:实验服或耐化学品围裙
  • 呼吸防护:任何涉及钾金属的反应都必须在通风橱中进行
  • 应急设备:D类灭火器(专用于金属火灾)

储存要求

钾金属:必须在密封的惰性气氛容器中,浸没于矿物油或煤油下储存。绝不要存放在水源或氧化剂附近。

钾化合物:储存在远离酸和氧化剂的干燥、阴凉处。保持容器密封,防止吸湿。

隔离要求:钾化合物应远离铵盐,因为铵盐受热时可能形成爆炸性混合物。

健康限值和暴露

OSHA PEL(允许暴露限值):钾金属没有具体限值(其反应性过强,不适合常规暴露)

膳食钾:成年人每天需要3,500-4,700mg。大多数人摄入的钾不足(平均约2,600mg)

毒性阈值:血钾高于5.5mEq/L时会发生高钾血症,并可能导致心律异常

急救措施

皮肤接触金属:立即用大量水冲洗15+分钟。脱去受污染的衣物。若发生灼伤,应立即就医。

眼睛接触:撑开眼睑,用水冲洗眼睛15+分钟。如果可能,取下隐形眼镜。立即就医。

吸入粉尘/烟雾:立即将患者转移到新鲜空气处。如出现呼吸困难,提供氧气并就医。

误食:切勿催吐。用水漱口。让患者少量饮水。立即就医。

应急措施

钾火灾:绝不能用水!使用D类灭火器(干砂、氯化钠或专用金属灭火剂)

泄漏处理:疏散现场。通风。用干砂或油覆盖泄漏的钾。不得让其接触任何水分。

爆炸风险:钾接触水后会形成爆炸性氢气。立即清除所有点火源。

快速解答

钾:常见问题

钾是什么?

钾(符号K)是元素周期表中的第19号元素,属于4周期1族的碱金属。 活泼到必须隔绝空气保存,又重要到你身体里的任何细胞都无法离开它正常工作。 在室温下为固态。

钾的电子排布是什么?

钾的基态电子排布为[Ar] 4s¹,共有4个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 8, 1。

钾的熔点和沸点是多少?

钾在336.5 K(63.4 °C)熔化,在1032 K(758.9 °C)沸腾。

钾的原子量是多少?

钾的标准原子量为39.098 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

钾的密度是多少?

钾的密度为0.89 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钾块会漂浮。

钾的电负性是多少?

钾的鲍林电负性为0.82。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 如此低的数值意味着,它很容易失去最外层电子,形成正离子。

谁发现了钾,是在什么时候?

钾由Humphry Davy于1807年发现。 它以英语potash;符号源自拉丁语kalium命名。

钾在地球上有多常见?

钾约占地壳的2.09%——它是地球上含量最丰富的元素之一。