Калий

Калий встречается в природе в виде двух стабильных нуклидов: ³⁹К (93, 10% по массе) и ⁴¹К (6, 88%), а также одного радиоактивного ⁴⁰К (0, 02%). Период полураспада калия-40 Т_1/2 примерно в 3 раза меньше, чем Т_1/2 урана-238 и составляет 1, 28 миллиарда лет. При β-распаде калия-40 образуется стабильный кальций-40, а при распаде по типу электронного захвата образуется инертный газ аргон-40.

Калий принадлежит к числу щелочных металлов. В периодической системе Менделеева калий занимает место в четвертом периоде в подгруппе IА. Конфигурация внешнего электронного слоя 4s¹, поэтому калий всегда проявляет степень окисления +1 (валентность I).

Атомный радиус калия 0, 227 нм, радиус иона K⁺ 0, 133 нм. Энергии последовательной ионизации атома калия 4, 34 и 31, 8 эВ. Электроотрицательность калия по Полингу 0, 82, что говорит о его ярко выраженных металлических свойствах.

В свободном виде — мягкий, легкий, серебристый металл.

Соединения калия, как и его ближайшего химического аналога — натрия, были известны с древности и находили применение в различных областях человеческой деятельности. Однако сами эти металлы были впервые выделены в свободном состоянии только в 1807 году в ходе экспериментов английского ученого Г. Дэви. Дэви, используя гальванические элементы как источник электрического тока, провел электролиз расплавов поташа и каустической соды и таким образом выделил металлические калий и натрий, которые назвал «потассием» (отсюда сохранившееся в англоязычных странах и Франции название калия — potassium) и «содием». В 1809 году английский химик Л. В. Гильберт предложил название «калий» (от арабского аль-кали — поташ).

Содержание калия в земной коре 2, 41% по массе, калий входит в первую десятку наиболее распространенных в земной коре элементов. Основные минералы, содержащие калий: сильвин KСl (52, 44% К), сильвинит (Na, K)Cl (этот минерал представляет собой плотно спрессованную механическую смесь кристалликов хлорида калия KCl и хлорида натрия NaCl), карналлит KCl·MgCl₂·6H₂O (35, 8% К), различные алюмосиликаты, содержащие калий, каинит KCl·MgSO₄·3H₂O, полигалит K₂SO₄·MgSO₄·2CaSO₄·2H₂O, алунит KAl₃(SO₄)₂(OH)₆. В морской воде содержится около 0, 04% калия.

В настоящее время калий получают при взаимодействии с жидким натрием расплавленных KOH (при 380-450°C) или KCl (при 760-890°C):

Na + KOH = NaOH + K

Калий также получают электролизом расплава KCl в смеси с K₂CO₃ при температурах, близких к 700°C:

2KCl = 2K + Cl₂­

От примесей калий очищают вакуумной дистилляцией.

Металлический калий мягок, он легко режется ножом и поддается прессованию и прокатке. Обладает кубической объемно центрированной кубической решеткой, параметр а = 0, 5344 нм. Плотность калия меньше плотности воды и равна 0, 8629 г/см³. Как и все щелочные металлы, калий легко плавится (температура плавления 63, 51°C) и начинает испаряться уже при сравнительно невысоком нагревании (температура кипения калия 761°C).

Калий, как и другие щелочные металлы, химически очень активен. 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. С водой и разбавленными кислотами калий взаимодействует со взрывом (воспламеняется образующийся водород):

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂­

Кислородсодержащие кислоты при таком взаимодействии могут восстанавливаться. Например, атом серы серной кислоты восстанавливается до S, SO₂ или S^2–:

8К + 4Н₂SO₄ = K₂S + 3K₂SO₄ + 4H₂O.

При нагревании до 200-300 °C калий реагирует с водородом с образованием солеподобного гидрида КН:

2K + H₂ = 2KH

С галогенами калий взаимодействует со взрывом. Интересно отметить, что с азотом калий не взаимодействует.

Как и другие щелочные металлы, калий легко растворяется в жидком аммиаке с образованием голубых растворов. В таком состоянии калий используют для проведения некоторых реакций. При хранении калий медленно реагирует с аммиаком с образованием амида KNH₂:

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 путем 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, или едкое кали, 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] (так реакция протекает в растворе) и

Al₂O₃ + 2KOH = 2KAlO₂ + H₂O­ (так реакция протекает при сплавлении реагентов).

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

K₂CO₃ + Ba(OH)₂ = 2KOH + BaCO₃

Попадание твердого гидроксида калия или капель его растворов на кожу и в глаза вызывает тяжелые ожоги кожи и слизистых оболочек, поэтому работать с этими едкими веществами следует только в защитных очках и перчатках. Водные растворы гидроксида калия при хранении разрушают стекло, расплавы — фарфор.

Карбонат калия K₂CO₃ (обиходное название поташ) получают при нейтрализации раствора гидроксида калия углекислым газом:

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + Н₂О.

В значительных количествах поташ содержится в золе некоторых растений.

Металлический калий — материал для электродов в химических источниках тока. Сплав калия с другим щелочным металлом — натрием находит применение в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.

В гораздо больших масштабах, чем металлический калий, находят применение его соединения. Калий — важный компонент минерального питания растений, он необходим им в значительных количествах для нормального развития, поэтому широкое применение находят калийные удобрения: хлорид калия КСl, нитрат калия, или калийная селитра, KNO₃, поташ K₂CO₃ и другие соли калия. Поташ используют также при производстве специальных оптических стекол, как поглотитель сероводорода при очистке газов, как обезвоживающий агент и при дублении кож.

В качестве лекарственного средства находит применение иодид калия KI. Иодид калия используют также в фотографии и в качестве микроудобрения. Раствор перманганата калия КMnO₄ («марганцовку») используют как антисептическое средство.

По содержанию в горных породах радиоактивного ⁴⁰К определяют их возраст.

Калий — один из важнейших биогенных элементов, постоянно присутствующий во всех клетках всех организмов. Ионы калия К⁺ участвуют в работе ионных каналов и регуляции проницаемости биологических мембран, в генерации и проведении нервного импульса, в регуляции деятельности сердца и других мышц, в различных процессах обмена веществ. Содержание калия в тканях животных и человека регулируется стероидными гормонами надпочечников. В среднем организм человека (масса тела 70 кг) содержит около 140 г калия. Поэтому для нормальной жизнедеятельности с пищей в организм должно поступать 2-3 г калия в сутки. Богаты калием такие продукты, как изюм, курага, горох и другие.

Металлический калий может вызвать очень сильные ожоги кожи, при попадании мельчайших частичек калия в глаза возникают тяжелые поражения с потерей зрения, поэтому работать с металлическим калием можно только в защитных перчатках и очках. Загоревшийся калий заливают минеральным маслом или засыпают смесью талька и NaCl. Хранят калий в герметично закрытых железных контейнерах под слоем обезвоженного керосина или минерального масла.

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов