Калий — химический элемент¶

Калий — химический элемент первой группы (щелочных металлов) четвёртого периода периодической таблицы Д. И. Менделеева, обозначается символом K (от латинского kalium), атомный номер 19. Относится к числу наиболее распространённых и биологически значимых элементов земной коры: его содержание в ней составляет около 2,6 % по массе, что делает его седьмым по распространённости элементом. В природе калий не встречается в свободном виде — из-за высокой химической активности он существует только в соединениях.

¶Свойства

Калий — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета с синеватым отливом. Плотность 0,862 г/см³ (меньше, чем у воды), температура плавления 63,5 °C, кипения — 759 °C. Легко режется ножом, на воздухе быстро тускнеет, образуя оксидную плёнку, в воде реагирует бурно с выделением водорода и воспламенением; в расплаве горит пламенем фиолетового цвета, что используется для качественного определения элемента.

Электронная конфигурация атома — [Ar]4s¹. Как и другие щелочные металлы, калий характеризуется низкой энергией ионизации и высокой электроотрицательностью (по Палингу — 0,82), что определяет его сильные восстановительные свойства. В соединениях проявляет степень окисления +1. Химически калий активнее натрия: при нагревании с кислородом образует пероксид K₂O₂ и супероксид KO₂, а с водой реагирует ещё энергичнее.

¶История открытия

В 1702 году немецкий химик Георг Эрнст Шталль впервые описал поташ — карбонат калия K₂CO₃, получаемый из золы древесины. В 1736 году французский учёный Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, показал, что поташ и сода — разные вещества. В 1792 году немецкий химик Мартин Клапрот установил, что поташ содержит новый металл, названный калием. В 1807 году английский химик Гемфри Дэви впервые выделил чистый калий электролизом расплава едкого кали KOH и предложил для него название «калий».

¶Нахождение в природе

Калий — один из важнейших макроэлементов земной коры. Основные рудные минералы:

• Сильвин (KCl) — главный источник калия в промышленности;
• Карналлит (KMgCl₃·6H₂O);
• Калиевый шпат (KAlSi₃O₈) — распространённый компонент гранитов и метаморфических пород;
• Селитра (KNO₃) и другие.

Крупнейшие месторождения сильвина и карналлита сосредоточены в Канаде (Саскачеван), России (Волгоградская область — Верхнекамское месторождение), Германии, Белоруссии, Израиле и Иордании (Мёртвое море). В России добыча калийных удобрений ведётся на Верхнекамском месторождении в Пермском крае.

¶Биологическая роль

Калий — один из главных внутриклеточных катионов: его концентрация в клетках в десятки раз выше, чем в межклеточной жидкости. Элемент выполняет ряд ключевых функций:

• поддержание клеточного объёма и осмотического давления;
• проведение нервных импульсов и сокращение мышц (вместе с натрием);
• регуляция кислотно-щелочного равновесия;
• участие в работе натрий-калиевого насоса (Na⁺/K⁺-АТФазы), перекачивающего ионы против градиента концентрации.

Дефицит калия (гипокалиемия) приводит к мышечной слабости, аритмии, нарушению сердечного ритма; избыток (гиперкалиемия) опасен остановкой сердца. Суточная потребность взрослого человека — около 2–4 граммов. Богаты калием сухофрукты, бобовые, картофель, бананы, зелень.

¶Применение

Основная часть добываемого калия (около 90 %) идёт на производство калийных удобрений — хлорида калия KCl, сульфата калия K₂SO₄ и калимагния. Калий необходим растениям для синтеза белков, фотосинтеза и регуляции водного баланса.

В промышленности и науке калий и его соединения применяются для:

• производства стекла и керамики (карбонат калия K₂CO₃);
• изготовления мыла (гидроксид калий KOH);
• получения пероксида калия KO₂ в системах жизнеобеспечения — он поглощает углекислый газ и выделяет кислород;
• производства селитры для порохов и удобрений;
• в лабораторной практике — как стандарт для калиевых электродов.

Радиоактивный изотоп калия-40 (период полураспада 1,25 млрд лет) применяется в геохронологии для датирования горных пород и археологических находок (калий-аргоновый метод).

¶Изотопы

Природный калий состоит из трёх изотопов: ³⁹K (93,26 %), ⁴¹K (6,73 %) и радиоактивного ⁴⁰K (0,012 %). Именно наличие ⁴⁰K делает естественный калий слабо радиоактивным — около 31 Бк на грамм. Изотоп ⁴⁰K распадается двумя путями: бета-распадом в аргон-40 и электронным захватом в кальций-40, что лежит в основе калий-аргонового метода датирования.

¶Интересные факты

• Название «калий» происходит от арабского слова al-qalyah — «растительная зола», откуда также произошло слово «поташ».
• Фиолетовое пламя горящего калия обусловлено характерными линиями его спектра.
• Калий — единственный щелочной металл, который в природе встречается преимущественно в виде твёрдых минералов, а не растворённых в морской воде солей (в отличие от натрия).

¶Источники

• Д. И. Менделеев. «Основы химии».
• Н. Н. Воронцов. «Химия: Учебник для вузов».
• А. В. Новосёлов. «Неорганическая химия».
• Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева.
• Большая российская энциклопедия, статья «Калий».