Место калия в таблице Менделеева, химические и физические свойства и его важная роль в природе

Калий – активный химический элемент, который относится к группе щелочных металлов. Он расположен в первой группе периодической таблицы. Металлический элемент подлежит хранению в керосине, так как быстро вступает в реакцию с кислородом.

История открытия

Калий обладает аналогичными натрию химическими свойствами. Эти элементы имеют похожую энергию первой ионизации. В 1702 году было заявлено, что они представляют собой различные вещества, соединяющиеся с анионами и образующие однотипные соединения.

Об открытии элемента первым объявил английский химик Дэви. Это произошло 19 ноября 1807 года. Хамфри Дэви впервые произвел калий в чистом виде с помощью электролиза. Он расплавил небольшое количество поташа, пропустил через него электрический ток. Им было обнаружено, что образовалась маленькая жидкая капелька металла. Она была искусственным образцом. 

На ртутном катоде выделялась амальгама, а после перегонки был получен металл в чистом виде. Дэви вычислил плотность этого вещества, проанализировал его физические и химические свойства. 

В 1808 году ученые из Франции Луи-Жозеф Гей-Люссак и Луи-Жак Тенар тоже смогли получить его, нагревая смесь гидроксида и железного наполнителя при высокой температуре.

Хамфри Дэви назвал элемент потассием, от слова «поташ». Его получали извлечением различных солей – помещали в горшок золу сгоревшей древесины или листвы деревьев, добавляли воду, нагревали и выпаривали раствор. Но это название не прижилось.

В 1809 году от немецкого физика поступило предложение о названии элемента калием. В 1814 году шведский химик Берцелиус поддержал эту идею. Было принято решение обозначить химический элемент символом «К».

Название калий стало общепринятым после публикации учебника Гесса.

Калий в таблице Менделеева

Калий расположен в первой группе в четвертом периоде в первой подгруппе периодической таблицы химических элементов.

Все вещества в этой группе имеют один валентный электрон во внешней электронной оболочке, который легко удаляется, чтобы создать ион с положительным зарядом – катион, который соединяется с анионами с образованием солей.

Строение атома

Атом состоит из положительно заряженного ядра (+19), внутри которого есть 19 протонов и 20 нейтронов, вокруг по 4 орбиталям движутся 19 электронов. Конфигурация внешнего электронного слоя калия равна 4s1, поэтому он всегда проявляет степень окисления +1 (валентность I).

Физические свойства

Калий – это серебристое вещество с характерным металлическим блеском со слегка синеватым оттенком. 

Это мягкое, легкоплавкое твердое вещество, которое можно легко разрезать ножом. Ртуть способна растворить его практически полностью, образуя амальгамы.

Элементарный калий:

• энергично реагирует с водой, выделяя достаточно тепла, чтобы воспламенить выделяющийся при реакции водород;
• горит сиреневым пламенем. 

На воздухе свежий срез тускнеет из-за образования пленок соединений (оксиды и карбонат). При длительном контакте с воздухом способен полностью разрушиться. Может расплавиться над пламенем свечи. Это второй наименее плотный металл.

Калий и его соединения выделяют фиолетовый цвет в пламени, который может быть замаскирован сильным желтым излучением натрия, если он также присутствует. Кобальтовое стекло используют для фильтрации желтого натриевого цвета. 

Концентрацию в растворе определяют с помощью:

• пламенной фотометрии;
• атомно-абсорбционной спектрофотометрии;
• индуктивно связанной плазмы;
• ионоселективных электродов.

Химические свойства

Элемент должен быть защищен от воздуха при хранении, чтобы предотвратить распад металла от оксидной и гидроксидной коррозии. Часто образцы выдерживаются в восстановительной среде, такой как керосин.

Реакции с Na, Tl, Sn, Pb, Bi приводят к получению интерметаллидов.

На открытом воздухе этот элемент вступает в реакцию с:

• кислородом;
• водой;
• компонентами углекислого газа. 

Благодаря этому свойству калий и жидкий натрий-калиевый сплав (NaK) являются мощными осушителями. Тем не менее, этот сплав больше не используется в таких целях.

Он бурно реагирует с водой, выделяет газообразный водород. В этой реакции образуется так много тепла, что газ фактически загорается, может взорваться. В этом случае калий будет скакать по поверхности воды. Это вызвано выделением водорода, образующегося в реакции выталкивания металла.

Элемент легко реагирует со всеми кислотами и со всеми неметаллами, такими как:

• сера;
• хлор;
• фтор;
• фосфор;
• азот.

Гидрид можно получить, если произойдет взаимодействие с водородом. Реакция происходит при температуре 200-350°C.

2K + H2 ⟶ 2KH

Калий реагирует с халькогенами при температуре 100-200°C, (E = S, Se, Te).

Надпероксид получают при реакции с кислородом.

K + O2 ⟶ KO2

С фосфором реакция происходит при 200°C. В ходе реакции образуется фосфид зеленого цвета.

3K + P ⟶ K3P

Гидроксид элемента сильно реагирует с углекислым газом, образуя карбонат, и используется для удаления его следов из воздуха. Гидроксид получается при взаимодействии с водой. Реакция является сильно экзотермической, тем более что образующийся газообразный водород может воспламеняться.

2K + 2H2O ⟶ 2KOH + H2↑

Уравнение реакции с кислотами.

2K + 2HCl ⟶ 2KCl + H2↑

Реакции с аммиаком проходят медленно.

K + 6NH3 ⟶ [K(NH3)]6

Можно восстановить разбавленные серную и азотную кислоты с помощью калия.

8K + 6H2SO4 ⟶ 4K2SO4 + SO2↑ + S↓ + 6H2O

21K + 26HNO3 ⟶ 21KNO3 + NO↑ + N2O↑ + N2↑ + 13H3O

Водород гидроксогруппы можно восстановить, если сплавить металлический калий со щелочами.

2K + 2KOH ⟶ 2K2O + H2↑ (450°C)

Элемент вступает в реакцию с газообразным аммиаком с образованием амида. Реакция проходит при умеренном нагревании (+65…+105°C).

2K + 2NH3 ⟶ 2KNH2 + H2

В реакцию со спиртами он вступает с образованием алкоголятов.

2K + 2C2H2OH ⟶ 2C2H5OK + H2↑

При взаимодействии с кислородом.

2K + O2 ⟶ K2O2

K + O2 ⟶ KO2

При нагреве до 180°C образуется оксид.

4K + O2 ⟶ 2K2O

KO2 + 3K ⟶ 2K2O

Калий играет роль восстановителя при получении мелкодисперсных металлов из их солей методом Рике.

Методы разделения элементов осаждением включают использование:

• тетрафенилбора натрия;
• гексагидрата дигидрогексахлороплатината (IV);
• кобальтинитрита натрия.

Соединения калия обычно обладают превосходной растворимостью в воде благодаря высокой энергии гидратации иона К+. Ион вещества в воде бесцветен.

Калий в природе

Калий составляет около 2,4% массы земной коры. Поскольку он электроположительный, трудно получить из его минералов. В природе никогда не бывает свободным, так как бурно реагирует с водой. 

Калийные соли:

• сильвит;
• карналлит;
• каинит;
• лангбейнит.

Они встречаются в древних озерах, морях. Эти минералы образуют обширные залежи, благодаря которым добыча достаточно экономична.

Из-за постоянных реакций не представлен в природе в виде чистого металла. Большинство минералов содержится в магматических породах и плохо растворимы. Металл трудно получить из этих минералов.

Не закончена дискуссия о том, сколько изотопов существует. Называются числа в диапазоне от 17 до 25. Три встречающихся в природе изотопа – 39, 40, 41.

Калий-40 представляет особый интерес для ученых, поскольку было доказано, что почти все на Земле содержит по крайней мере крошечное количество радиоактивного калия-40. Применяется для измерения возраста горных пород.

Помимо датировки, изотопы нашли применение в изучении выветривания. Их использовали как индикаторы во время изучения круговорота в природе различных веществ. 

Применение

Металлический калий иногда применяется как теплообменная среда на атомных электростанциях. Там тепло вырабатывается в активной зоне, в центре реактора. 

Жидкий элемент герметизируется в трубах, окружающих ядро. При выделении тепла оно поглощается калием. Затем он вытесняется в соседнее помещение. Там калиевые трубы обернуты вокруг элементов, наполненных водой. 

Тепло калия согревает воду. В результате она становится достаточно горячей, чтобы закипеть. Превращается в пар и используется для работы устройств, вырабатывающих электричество.

Поскольку калий быстро реагирует даже со следами воды, а продукты его реакции нелетучие, его иногда используют отдельно или в качестве NaK (сплав с натрием, остающийся жидким при комнатной температуре) для сушки растворителей перед дистилляцией. В этой роли он служит мощным осушителем.

Калиевые соли широко применяются в гальванопокрытии, так как они растворимые, и поэтому активизируют электролиты при увеличении плотности тока.

Большая часть калия (95%) идет на удобрения, а остальное – на получение гидроксида (KOH) путем электролиза раствора хлорида калия, а затем превращения его в карбонат калия (K2CO3). Он необходим для производства стекла, особенно используемого для телевизоров. Гидроксид нужен для изготовления жидкого мыла и других моющих средств. 

Немного хлористого калия идет в фармацевтические препараты, медицинские капельницы и физиологические инъекции.

Где используется:

1. Хлорид калия востребован в сельскохозяйственной области. По меньшей мере 85% этого соединения применяется для производства синтетических удобрений.
2. Хромат нужен для производства краски (яркий желтовато-красный цвет), взрывчатых веществ и пиротехнических изделий, спичек.
3. Фторсиликат позволяет создавать специализированные стекла, керамику и эмали, инсектициды.
4. Гидроксид или едкий калий используется в производстве средств для удаления краски, специализированных мыл, топливных элементов и батарей.
5. Нитрат или селитра нужен для взрывчатых веществ, фейерверков, спичек, ракетного топлива. Задействован при производстве стекла.
6. Бикарбонат является добавкой в порошок огнетушителей.
7. Сульфид используется как компонент фоточувствительных эмульсий в фотографии. Его применяют в качестве аналитического реагента для разделения сульфидов металлов и в составах для обработки шкур.
8. Перманганат востребован в качестве антисептика в медицине, для лабораторного производства кислорода.

Калий часто является ключевым ингредиентом жидкостей, которые внутривенно вводятся пациентам в клинических условиях для дегидратации, питания и пополнения электролитов. Такие составы включают цитрат, хлорид и калий с декстрозой и хлоридом натрия.

Элемент необходим как для жизни растений, так и для жизни животных. Это одно из трех основных питательных веществ, микроэлементов, необходимых растениям. Им требуется относительно большое количество калия, чтобы расти и оставаться здоровыми. 

Последствия низкого содержания калия в почве проявляются в различных симптомах: 

• ограниченном росте;
• снижении цветения, урожайности;
• ухудшении качества продукции.

Калий – один из внутриклеточных элементов, выполняющих существенную роль в организме. Он участвует в регулировании кислотно-щелочного баланса крови. Этот элемент имеет значительное влияние на внутриклеточный метаболизм, регулирование водно-солевого обмена и кислотно-основного состояния организма. 

Он помогает в переваривании пищи, способствует правильной работе глаз. Во многих из реакций калий и натрий работают вместе, чтобы эти функции выполнялись должным образом.

Соединения калия могут быть извлечены из земли, так как он содержится во многих твердых веществах, почве и морской воде. Самой ранней версией, известной человеку, был поташ, который можно было легко получить, просто сжигая дерево и собирая его из пепла. 

Поташ также добывался из больших блоков соляных шахт, которые образовались, когда древние моря высохли. Известно, что в Германии, США, Канаде и России имеются значительные месторождения полезных ископаемых, богатых калием.

В окрестностях города Березники находится одно из богатейших в мире месторождений калийной соли. В 1925 году геологическая экспедиция обнаружила залежи сильвинита, богатого минералами. Это стало отправной точкой развития калийной промышленности в нашей стране.

Была ли Вам полезна эта статья? Сохраняйте страницу в закладки и делитесь ею в социальных сетях.

Ниже рекомендуем к просмотру интересные и познавательные видеоролики по теме.

Калий – самый горючий металл на земле.

Получение калия и натрия в домашних условиях своими руками.

Источники:

• https://chem.ru/kalij.html
• http://himsnab-spb.ru/article/ps/k/
• https://nauka.club/khimiya/kaliy.html
• https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KALI.html