19 K 39.098
碱金属 s-block Period 4 Group 1

K · Element 19 · Alkali metals

A metal so reactive it must be kept away from air, and so essential that no cell in your body works without it.

20°C时的状态 固态
原子量 39.098 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ar] 4s¹

结构

钾 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。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

性质表

每个条形图都显示钾在全部118种元素中该性质的排名位置。

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 102.5 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

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
s
晶体结构体心立方
氧化态-1, +1
发现时间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 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 钾 atom?

Radius 227 pm — that is 0.227 nm, so about 2203 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

钾 is liquid over a 695 K window, from 337 K to 1032 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 4, group 1. Everything in group 1 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 碱金属

All 碱金属

故事

钾 是什么,以及我们如何发现它

会与水剧烈反应的软金属。人体必需营养素。

The discovery of 钾

钾的发现——危险与决心的故事

Humphry Davy爵士——大胆的化学家

1807年,一位29岁的英国化学家Humphry Davy沉迷于一种名为电解的革命性新技术。在伦敦皇家研究所工作期间,Davy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

Alessandro Volta发明的电池于1800年问世,为化学打开了全新的可能性。Davy意识到,这种强大的新工具或许能够分解那些以往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性物质,几个世纪以来一直困扰着化学家。它是化合物还是元素?先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:Davy在铂匙中熔化草木灰,并插入连接强力伏打电池的铂丝。当电流通过熔融碱时,负极处发生了非同寻常的事情。

发现时刻:Davy写道:“我永远不会忘记那种狂喜的快乐,”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燃烧,发出耀眼的紫色光!

危险:这些金属球的反应性极强,接触空气中的水分便会爆炸。Davy分离出了第一种碱金属————但在多次操作过程中,他几乎因此丧命。

认识新金属

非凡性质:Davy发现,这种新金属比水轻(会漂浮!)、比蜡软(可以用刀切割),并且反应性极强,必须储存在油中以防爆炸。

名称:Davy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,Davy使用同样的技术分离出了钠,证明化学家认为的简单物质实际上是由这些反应性极强的金属形成的化合物。

安全挑战:数月间,Davy和他的助手在学习操作钾的过程中遭受灼伤和爆炸。他们发现,钾必须在液体石蜡下切割,并且绝不能接触水(会剧烈爆炸)。

遗产:Davy的发现通过证明电力能够分解先前被认为是元素的物质,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一门基础科学的地位。

认可与影响

Napoleon的奖项:尽管英国和法国当时处于战争状态,Napoleon仍于1808年授予Davy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:Davy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产业。

应用

钾的用途

钾的工业用途

农业产业——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。

肥料制造过程:氯化钾(KCl)通过溶液采矿从地下矿床中提取。热水溶解盐矿,形成盐水;盐水被泵送到地表,并在大型结晶池中蒸发。所得粉红色晶体的KCl纯度为95-99%。

使用形式:硫酸钾(K₂SO₄)用于烟草和马铃薯等对氯化物敏感的作物;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),也称苛性钾,通过氯化钾盐水电解制得。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。

玻璃产业:碳酸钾(K₂CO₃)在玻璃制造中充当助熔剂,降低二氧化硅的熔点,形成更坚硬、更明亮的玻璃。因此,高质量水晶玻璃器皿通常含钾而非钠。

烟火和炸药

黑火药制造: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,过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发出特征性的紫色火焰。

专业工业用途

传热系统:液态钾钠合金(NaK)因具有优良的传热性质以及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的重要物质,可控制反差并实现精确显影。

钾在现实生活中的用途

健康与营养

  • 膳食补充剂:葡萄糖酸钾、柠檬酸钾和氯化钾片剂(如NOW Foods、Nature Made等品牌)
  • 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:一根中等大小的香蕉含有422mg钾(每日参考值的12%)
  • 医疗用途:用于治疗高血压和心脏疾病患者

家庭用品

  • 软水剂:氯化钾颗粒(Morton、Diamond Crystal品牌)
  • 烘焙:酒石(酒石酸氢钾)——稳定蛋清,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)

园艺与农业

  • 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:为无土栽培系统提供精确浓度的硝酸钾溶液
  • 草坪养护:富钾秋季肥料帮助草坪应对冬季胁迫

实验室与科学

  • 焰色试验: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:培养基中的氯化钾维持细胞渗透压
  • 分析化学:高锰酸钾作为滴定中的强氧化剂

来源

自然存在

20900 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 94% of elements

钾在自然界中的分布

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显眼,钾却比钠更常见。这种丰度反映了钾在构成地球的基本造岩矿物中的作用。

主要矿物来源:

  • 钾盐(KCl):最重要的商业来源,产于古海洋形成的蒸发岩矿床
  • 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):产于海相蒸发岩层序
  • 无水钾镁矾(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;不同的矿物浓度形成彩虹般的色彩。

俄罗斯乌拉尔山脉:古老的蒸发岩层贡献了世界产量的20%,部分矿山自苏联时代起就一直运营。

新墨西哥州卡尔斯巴德:二叠纪盆地含有大量钾盐层,这些矿层形成于2.5亿年前古海洋蒸发之时。

海洋与水生环境

海水浓度:现代海洋中含有约380ppm的钾,其含量由河流输入与海洋生物及黏土矿物吸收之间的平衡维持。

大盐湖:含有浓缩的钾卤水,可与钠和镁一起进行商业提取。

恒星与宇宙形成

核合成:当硅-28俘获α粒子时,大质量恒星中的氧燃烧会形成钾-39。该过程需要超过1.5 billion K的温度。

超新星产生: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提供热量。

陨石:球粒陨石在长石矿物中含有钾,为研究早期太阳系成分和岩质行星形成提供线索。

生物富集

土壤形成:长石和云母风化释放钾离子,使其能够被植物利用。黏土矿物可以捕获钾,并随时间缓慢释放。

植物吸收:根系主动逆浓度梯度运输钾,使其浓度达到土壤溶液中的1000倍。这个过程需要大量代谢能。

处理

安全

钾安全信息

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,燃烧时发出强烈的紫色火焰
  • 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,并且是必需营养素

个人防护装备(PPE)

  • 眼部防护:带侧护板的安全护目镜(符合ANSI Z87.1等级)
  • 手部防护:处理容器时佩戴皮手套,绝不可直接接触钾金属
  • 身体防护:实验服或耐化学品围裙
  • 呼吸防护:涉及钾金属的任何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:必须浸没在矿物油或煤油中,并储存在密封的惰性气氛容器内。绝不可存放在水源或氧化剂附近。

钾化合物:存放在干燥、阴凉处,远离酸和氧化剂。保持容器密封,防止吸收水分。

分隔要求: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。

健康限值与暴露

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:血液中钾含量超过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。发生灼伤时立即就医。

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

吸入粉尘/烟雾:立即将受害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。让其少量饮水。立即就医。

应急措施

钾火灾:绝不可用水!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。进行通风。用干砂或油覆盖泄漏的钾。不得使其接触任何水分。

爆炸风险:钾接触水时会形成爆炸性氢气。立即消除所有点火源。

快速回答

钾:常见问题

What is 钾?

钾 (symbol K) is element 19 on the periodic table, a 碱金属 in period 4, group 1. A metal so reactive it must be kept away from air, and so essential that no cell in your body works without it. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 钾?

钾's ground-state electron configuration is [Ar] 4s¹, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 8, 1 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 钾?

钾 melts at 336.5 K (63.4 °C) and boils at 1032 K (758.9 °C).

What is the atomic mass of 钾?

The standard atomic weight of 钾 is 39.098 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 钾?

钾 has a density of 0.89 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 钾 floats.

What is the electronegativity of 钾?

钾 has a Pauling electronegativity of 0.82. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.

Who discovered 钾, and when?

钾 was discovered in 1807 by Humphry Davy. It is named after english potash; symbol from Latin kalium.

How common is 钾 on Earth?

钾 makes up about 2.09% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.