Калий: свойства, история и применение¶

Калий (химический символ — K, от латинского Kalium) — химический элемент 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 19. Относится к щелочным металлам. Простое вещество калий — мягкий, легкоплавкий, химически активный щелочной металл серебристо-белого цвета. В природе в свободном виде не встречается, входит в состав многих минералов и морской воды, является одним из важнейших биогенных элементов.

¶История открытия

Калий был открыт в 1807 году английским химиком Гемфри Дэви при электролизе влажного едкого кали (гидроксида калия, KOH). Дэви выделил новый металл, который он назвал «потассиум» (potassium), от слова «поташ» (potash) — так называли карбонат калия, получаемый из древесной золы. В 1809 году немецкий химик Людвиг Вильгельм Гильберт предложил название «калий» (от арабского аль-кали — «зола растений»), которое закрепилось в немецком и русском языках. Химический символ K был предложен Йёнсом Якобом Берцелиусом.

В 1808 году Дэви электролизом получил амальгаму калия, а в чистом виде металл впервые был получен лишь в середине XIX века. Промышленное производство калия электролизом расплава гидроксида калия было налажено в 1890-х годах.

¶Физические свойства

Калий — мягкий металл (твердость по шкале Мооса около 0,4), легко режется ножом, обладает серебристо-белым блеском, который быстро тускнеет на воздухе из-за окисления. Плотность калия при комнатной температуре составляет 0,856 г/см³ — он легче воды. Температура плавления — 63,38 °C, температура кипения — 759 °C. Металл обладает высокой тепло- и электропроводностью. Пары калия имеют зеленовато-фиолетовый цвет. Кристаллическая решётка — кубическая объёмно-центрированная.

¶Химические свойства

Калий — типичный щелочной металл с высокой химической активностью. На внешнем электронном уровне атом содержит один электрон, который легко отдаёт, проявляя степень окисления +1. Калий — сильный восстановитель, по активности уступает только литию, рубидию и цезию.

Основные химические реакции:

• С кислородом образует надпероксид калия (KO₂), а не оксид, как натрий. Оксид калия (K₂O) получают косвенными методами.
• С водой реагирует бурно, со взрывом и воспламенением выделяющегося водорода, образуя гидроксид калия (KOH): 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑.
• С галогенами соединяется при обычной температуре, часто со взрывом.
• С азотом не реагирует, с аммиаком образует амид калия.
• При нагревании реагирует с водородом, образуя гидрид калия (KH).

Из-за высокой активности калий хранят под слоем керосина или минерального масла, исключающих контакт с воздухом и влагой.

¶Нахождение в природе и изотопы

Калий — один из самых распространённых элементов земной коры, его кларк (среднее содержание) составляет около 2,4 % по массе. Он занимает 7-е место среди всех элементов и входит в десятку самых распространённых. В свободном виде не встречается. Важнейшие минералы: сильвин (KCl), карналлит (KCl·MgCl₂·6H₂O), каинит (KCl·MgSO₄·3H₂O), полевые шпаты (ортоклаз), слюды. Крупные месторождения калийных солей находятся в России (Верхнекамское месторождение в Пермском крае), Беларуси (Старобинское), Канаде, Германии, Израиле и Иордании (Мёртвое море).

В природе калий представлен тремя изотопами: стабильными ³⁹K (93,26 %) и ⁴¹K (6,73 %), а также радиоактивным ⁴⁰K (0,012 %). Период полураспада ⁴⁰K составляет 1,25 миллиарда лет; он распадается с испусканием бета-частиц и позитронов. Радиоактивность природного калия была открыта в 1905 году. Изотоп ⁴⁰K используется в радиоизотопном датировании горных пород (калий-аргоновый метод).

¶Биологическая роль

Калий — важнейший биоэлемент. В организме человека содержится около 140–180 г калия (примерно 2 г на 1 кг массы тела). Он является основным внутриклеточным катионом: внутри клеток его концентрация в 20–40 раз выше, чем в межклеточной жидкости. Калий участвует в поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного баланса, генерации и передаче нервных импульсов, регуляции сокращения мышц (особенно сердечной), активации многих ферментов. Совместно с натрием калий обеспечивает работу натрий-калиевого насоса — механизма, поддерживающего разность потенциалов на клеточных мембранах.

Суточная потребность взрослого человека в калии составляет примерно 2–3,5 г. Основные источники — растительные продукты: картофель, бананы, курага, изюм, бобовые, орехи, зелень. Недостаток калия (гипокалиемия) проявляется мышечной слабостью, нарушениями сердечного ритма, утомляемостью; избыток (гиперкалиемия) опасен остановкой сердца. Выведение калия из организма регулируется почками под действием гормона альдостерона.

¶Применение

Калий и его соединения находят широкое применение в различных отраслях:

• Удобрения. Более 90 % добываемых калийных солей используется для производства калийных удобрений (хлорид калия, сульфат калия, калийная селитра). Калий — один из трёх макроэлементов (NPK), необходимых растениям.
• Химическая промышленность. Гидроксид калия (едкое кали) применяется в производстве жидкого мыла, аккумуляторов, в качестве электролита; карбонат калия (поташ) — в стекольной промышленности; перманганат калия («марганцовка») — как антисептик и окислитель.
• Металлургия. Металлический калий используется как восстановитель при получении титана и других металлов. Сплав калия с натрием (жидкий при комнатной температуре) применяется как теплоноситель в ядерных реакторах и хладагент.
• Медицина. Препараты калия (хлорид, аспарагинат калия) используются для лечения гипокалиемии и нарушений сердечного ритма. Радиоактивный изотоп ⁴⁰K применялся в медицине для диагностики.
• Пищевая промышленность. Сорбат калия (E202) — консервант; хлорид калия (E508) — заменитель соли; нитрат калия (E252) — консервант для мясных продуктов.

Металлический калий, благодаря способности бурно реагировать с водой, используется в лабораторной практике для осушения растворителей и в качестве компонента пиротехнических составов.

¶Интересные факты

• При сгорании калия пламя окрашивается в характерный фиолетово-розовый цвет, что используется в качественном химическом анализе для обнаружения калия.
• В 1950-х годах калий-аргоновый метод датирования позволил определить возраст древнейших горных пород Земли.
• Радиоактивный изотоп калия-40 — основной источник внутреннего облучения человека: за счёт него человек получает около 200 микрозивертов в год.
• Калий был одним из первых металлов, полученных электролизом, что положило начало электрохимическим методам выделения элементов.

¶Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1973.
• Справочник химика / под ред. Б. П. Никольского. — М.: Химия, 1964.