Калий

19 Аргон ← Калий → Кальций 19K
Внешний вид простого вещества
Свойства атома
Имя, символ, номер	Калий / Kalium (K), 19
Группа, период, блок	1 (устар. 1A), 4, s-элемент
Атомная масса (молярная масса)	39,0983 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 4s1 ${\ce {1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1}}$
Радиус атома	235 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	203 пм
Радиус иона	133 пм
Электроотрицательность	0,82 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−2,92
Степени окисления	0, +1
Энергия ионизации (первый электрон)	418,5 (4,34) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	0,856 г/см³
Температура плавления	336,8 К (63,65 °C)
Температура кипения	1047 К (773,85 °C)
Теплота плавления	2,33 кДж/моль
Теплота испарения	76,9 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	29,6 Дж/(K·моль)
Молярный объём	45,3 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Кубическая объёмно-центрированная
Параметры решётки	5,332 Å
Температура Дебая	100 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 79,0 Вт Вт/(м·К)

19	Калий
K 39,0983
[Ar]4s1

Калий — 19-ый элемент Периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, международное название происходит от лат. «Kalium». Химическая формула калия - K. Расположен в 4 периоде главной подгруппы первой группы. Число электронов - 19, число протонов и нейтронов - 19. Схема строения атома - 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹. Калий - металл, высший оксид - K₂O (оксид калия), не имеет летучего водородного соединения. Относительная атомная масса калия - 39,0983. Природный калий состоит из двух стабильных изотопов 39К (93,08%), 41К (6,91%) и одного радиоактивного 40К (0,01%) с периодом полураспада 1,39•109 лет. Значение электроотрицательности калия по шкале Полинга составляет 0,82. Используется в химии, медицине и промышленности.

История открытия калия

Соединения калия, так же как соединения его химического аналога натрия, были известны с древности и находили применение в различных областях человеческой деятельности. Однако именно сами металлы были впервые выделены в свободном состоянии только в 1807 году в результате экспериментов английского учёного Гемфри Дэви. Дэви использовал гальванические элементы в качестве источника электрического тока и провёл электролиз плавленых солей калия и натрия, что позволило выделить металлический калий и натрий, затем названные им «потассием» и «содием». В 1809 году английский химик Людвиг Вильгельм Гильберт предложил термин "калий" (от арабского аль-кали - поташ) для обозначения металлического элемента.

Свойства вещества

Химическое строение

Конфигурация внешней электронной оболочки атома калия - 4s1. В соединениях калия степень окисления проявляется как +1. Энергии ионизации K0→K+→K2+ составляют 4,3407 и 31,8196 эВ соответственно. Электроотрицательность по Полингу равна 0,82. Атомный радиус калия составляет 220 пм, в то время как радиус иона K+ равен 152 пм (при координационном числе 6).

Физические свойства

Калий - серебристо-белый, лёгкий, мягкий и низкоплавкий металл. Кристаллическая решётка - кубическая, объемно-центрированная, с параметром а = 0,522±2 нм при 5 К и а = 0,5247±2 нм при 78 К. Плотность 862,9 кг/м3 (0 °C); температура плавления 63,55 °C; температура кипения 760 °C; коэффициент теплопроводности (при 21 °C) 97,13 Вт/м•К; удельная теплоёмкость (при 20 °C) 741,2 Дж/кг•К; удельное электрическое сопротивление (при 20 °C) 7,118•10-8 Ом•м; твёрдость по Бринеллю 400 кПа. Металлический калий легко режется ножом. Степень окисления +1. На воздухе калий легко окисляется, образуя оксид K2O и надпероксид KO2. Калий хранят в бензине или керосине. Взаимодействуя с водными растворами кислот, образует хорошо растворимые соли. При температуре выше 200 °C реагирует с водородом, образуя белые кристаллы KH. При нагревании с серой, теллуром, селеном образует сульфид K2S, теллурид K2Te, селенид K2Se.

Химические свойства

Металлический калий является сильным восстановителем и проявляет свою активность в различных химических реакциях. При нормальных условиях происходит энергичное взаимодействие с водой, приводящее к образованию гидроксида калия KOH с выбросом горючих газов. Реакция калия с кислотами происходит бурно и иногда с взрывами, что приводит к образованию соответствующих солей, например дихромата, нитрата, перманганата, фосфата, цианида калия. Калий способен восстанавливать оксиды различных элементов, таких как бор, кремний, алюминий, серебро, висмут, кобальт, хром, медь, ртуть, никель, свинец, олово, титан, до их элементарного состояния. Он также способен превращать сульфаты, сульфиты, нитраты, нитриты, карбонаты и фосфаты других металлов в соответствующие оксиды. В реакции с жидким аммиаком металлический калий постепенно растворяется, образуя тёмно-синий раствор с металлической проводимостью, который после дальнейшего взаимодействия с аммиаком приводит к образованию амидов. Калий также реагирует с различными органическими соединениями, порождая алкоголяты из спиртов. Он играет ключевую роль в инициировании реакций полимеризации алкенов и диенов. Взаимодействуя с N- и O-донорными полициклическими лигандами, такими как краун-эфиры, криптанды и другие ионофоры, калий образует сложные комплексные соединения. Калий не образует соединений с азотом, но может реагировать с щелочами и спиртами. Легко взаимодействует с кислородом воздуха с образованием смеси, преимущественно состоящей из пероксида К₂О₂ и супероксида KO₂ (К₂О₄):

2K + O₂ = K₂O₂

K + O₂ = KO₂.

При нагревании на воздухе калий сгорает фиолетово-красным пламенем. При контакте с водой и разбавленными кислотами калий реагирует с вспышкой (возникает возгорание образующегося водорода):

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂­

При взаимодействии с кислородсодержащими кислотами может происходить их восстановление. Например, атом серы в серной кислоте может восстанавливаться до S, SO₂ или S₂:

8К + 4Н₂SO₄ = K₂S + 3K₂SO₄ + 4H₂O.

При нагревании до температур 200-300 °C калий вступает в реакцию с водородом, образуя гидрид КН:

2K + H₂ = 2KH

Калий энергично реагирует с галогенами, приводя к взрывным реакциям. С азотом калий не вступает в реакцию. Подобно другим щелочным металлам, калий легко растворяется в жидком аммиаке, образуя растворы синего цвета. В этой форме калий используется для проведения некоторых химических реакций. При длительном хранении калий медленно реагирует с аммиаком, образуя амид KNH_2м:

2K + 2NH_{3 жидк.} = 2KNH₂ + H₂­

Важнейшие соединения калия: оксид К₂О, пероксид К₂О₂, супероксид К₂О₄, гидроксид КОН, иодид KI, карбонат K₂CO₃ и хлорид KCl.

Оксид калия К₂О, как правило, получают косвенным путём за счет реакции пероксида и металлического калия:

2K + K₂O₂ = 2K₂O

Этот оксид проявляет ярко выраженные основные свойства, легко реагирует с водой с образованием гидроксида калия КОН:

K₂O + H₂O = 2KOH

Гидроксид калия хорошо растворим в воде (до 49, 10% массе при 20°C). Образующийся раствор — очень сильное основание, относящееся к щелочам. КОН реагирует с кислотными и амфотерными оксидами:

SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O,

Al₂O₃ + 2KOH + 3H₂O = 2K[Al(OH)₄]

Al₂O₃ + 2KOH = 2KAlO₂ + H₂O

В промышленности гидроксид калия KOH получают электролизом водных растворов KCl или K₂CO₃ c применением ионообменных мембран и диафрагм:

2KCl + 2H₂O = 2KOH + Cl₂­+ H₂­,

или за счёт обменных реакций растворов K₂CO₃ или K₂SO₄ с Ca(OH)₂ или Ba(OH)₂:

K₂CO₃ + Ba(OH)₂ = 2KOH + BaCO₃

Водные растворы гидроксида калия со временем разрушают стекло, а его расплавы - фарфор. Карбонат калия K₂CO₃ получают путём нейтрализации раствора гидроксида калия углекислым газом:

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + Н₂О.

Получение

В настоящее время калий производят путём реакции с расплавленным натрием, содержащим KOH (при 380-450 °C) или KCl (при 760-890 °C):

Na + KOH = NaOH + K

Калий также производят путём электролиза расплава KCl в присутствии K2CO3 при приблизительно 700°C:

2KCl = 2K + Cl₂­

От примесей калий очищают вакуумной дистилляцией.

Применение

В промышленности

Металлический калий широко используется в качестве материала для электродов в химических источниках тока, а также как катализатор в процессах производства синтетического каучука. Различные соединения калия, такие как пероксид K2O2 и надпероксид KO2, применяются в составах для регенерации кислорода (на подводных лодках, космических кораблях и в закрытых помещениях). Сплав калия с натрием (10–60% Na по массе), жидкий при комнатной температуре, используется как теплоноситель в ядерных реакторах и в производстве титана, а также как реагент для очистки газов от кислорода и водяных паров. Соли калия применяются в качестве калийных удобрений и компонентов моющих средств.

В науке

Комплексные соединения калия с ионофорами служат модельными системами для исследования механизмов транспорта ионов калия через клеточные мембраны. В научных исследованиях используется радиоизотоп 42K (период полураспада 12,36 часов) в качестве радиоактивного индикатора. Гидрид KH используется в химическом синтезе в качестве восстановителя.

Меры предосторожности

При работе с калием необходимо принимать особые меры предосторожности из-за его высокой реакционной способности, включая возможность возгорания при контакте с водой. Твёрдый гидроксид калия и его растворы могут вызывать серьёзные химические ожоги кожи и слизистых оболочек при попадании на них. Для обеспечения безопасности следует использовать резиновые перчатки, защитные очки или маску. При использовании больших количеств калия рекомендуется работать в специальных камерах с инертной атмосферой (аргон, азот). Для тушения горящего калия применяется поваренная соль NaCl или кальцинированная сода Na2CO3. Этот щелочной металл бурно реагирует с кислородом, водой, галогенами и разбавленными кислотами, часто со взрывными эффектами.

Литература

• Биохимические методы исследования в клинике / под ред. А. А. Покровского. — М.: Медицина, 1969. — 652 с.
• Боголюбов В. М. Патогенез и клиника водно-электролитных расстройств. — Ленинград: Медицина, 1968. — 296 с.
• Горжейши Я. Основы клинической биохимии в клинике внутренних болезней. — Прага: Издательство медицинской литературы, 1967. — 680 с.
• Водный и электролитный обмен. Крохалев А. А.. — Москва: Медицина, 1972. — 280 с.
• Машковский М. Д. Лекарственные средства : В 2 ч.. — Кишинёв, 1989. — 542 с. — ISBN 5-362-00170-1.