Введение
химический элемент
Калий — химический элемент с символом K (от неолатинского kalium) и атомным номером 19. Это мягкий серебристо-белый металл, который легко режется ножом. Металлический калий быстро реагирует с атмосферным кислородом, образуя хлопьевидный белый пероксид калия всего за несколько секунд контакта с воздухом. Впервые он был выделен из поташа — золы растений, от которого и произошло его название. В периодической таблице калий относится к щелочным металлам, все из которых имеют один валентный электрон на внешней электронной оболочке, который легко удаляется с образованием иона с положительным зарядом (который соединяется с анионами, образуя соли). В природе калий встречается только в виде ионных солей. Элементарный калий бурно реагирует с водой, выделяя достаточно тепла для воспламенения образующегося водорода и горит лиловым пламенем. Он растворен в морской воде (составляя 0,04% калия по массе) и содержится во многих минералах, таких как ортоклаз — распространенный компонент гранитов и других магматических пород. Калий химически очень похож на натрий, предыдущий элемент в 1-й группе периодической таблицы. У них схожая первая энергия ионизации, позволяющая каждому атому отдавать свой единственный внешний электрон. Впервые предположение об их различной природе было высказано в 1702 году, когда было предложено, что они являются отдельными элементами, сочетающимися с одними и теми же анионами с образованием подобных солей.
Этимология
Название элемента калий происходит от слова potash, обозначающего ранний метод извлечения различных солей калия: пепел сожжённого дерева или листьев помещали в горшок, добавляли воду, нагревали и выпаривали раствор. Когда в 1807 году Хамфри Дэви впервые выделил чистый элемент с помощью электролиза, он назвал его калием, производя это название от слова potash. Символ K происходит от kali, которое, в свою очередь, восходит к слову alkali, а то – к القَلْيَه (al qalyah), означающему «пепел растений». В 1797 году немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил "поташ" в минералах левците и лепидолите и понял, что "поташ" – это не продукт роста растений, а содержит новый элемент, который он предложил назвать kali. В 1807 году Хамфри Дэви получил элемент посредством электролиза: в 1809 году Людвиг Вильгельм Гилберт предложил название Kalium для "калия" Дэви. В 1814 году шведский химик Берцелиус выступал за название kalium для калия с химическим символом K.
Англоязычные и франкоязычные страны приняли название калий, которое поддерживали Дэви и французские химики Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар, в то время как другие германоязычные страны приняли название Kalium, предложенное Гилбертом и Клапротом. В «Золотой книге» Международного союза теоретической и прикладной химии официальным химическим символом обозначен K.
Физическое
Калий — второй по плотности металл после лития. Это мягкое твердое вещество с низкой температурой плавления, которое легко режется ножом. Калий имеет серебристый вид, но при контакте с воздухом быстро тускнеет, приобретая серый оттенок. При проведении спектрального анализа калий и его соединения излучают лиловый цвет с пиковой длиной волны излучения 766,5 нанометров. Нейтральные атомы калия содержат 19 электронов, что на один больше, чем электронная конфигурация благородного газа аргона. Благодаря низкой первой энергии ионизации, равной 418,8 кДж/моль, атом калия гораздо охотнее отдает последний электрон и приобретает положительный заряд, хотя образование отрицательно заряженных алкалидов K⁻ также возможно. В то же время, вторая энергия ионизации очень высока (3052 кДж/моль).
Химические
Калий реагирует с кислородом, водой и углекислым газом, содержащимися в воздухе. С кислородом он образует пероксид калия. С водой калий образует гидроксид калия (KOH). Реакция калия с водой может протекать бурно экзотермически, особенно поскольку образующийся водород может воспламениться. Благодаря этому калий и жидкий сплав натрия и калия (NaK) являются эффективными осушителями, хотя в настоящее время они больше не применяются для этих целей.
Соединения
Хорошо изучены четыре оксида калия: оксид калия (K2O), пероксид калия (K2O2), супероксид калия (KO2) и озонид калия (KO3). Бинарные соединения калия с кислородом реагируют с водой, образуя KOH. KOH – сильное основание. В качестве иллюстрации его гидрофильного характера, в одном литре воды может раствориться до 1,21 кг KOH. Безводный KOH встречается редко. KOH легко реагирует с углекислым газом (CO2) с образованием карбоната калия (K2CO3) и, в принципе, может быть использован для удаления следов газа из воздуха. Как и близкородственный гидроксид натрия, KOH реагирует с жирами с образованием мыла. В целом, соединения калия ионные и, благодаря высокой энергии гидратации иона K+, обладают отличной растворимостью в воде. Основными видами в водном растворе являются аквакомплексы [K(H2O)n]+, где n = 6 и 7. Гептафтортанталат калия (K2[TaF7]) является промежуточным продуктом в очистке тантала от стойкого загрязнения – ниобия. Органокалиевые соединения иллюстрируют неионные соединения калия. Они характеризуются высокополярными ковалентными связями K–C. Примерами служат бензил калий KCH2C6H5. Калий интеркалирует в графит, образуя различные соединения интеркаляции графита, включая KC8.
Изотопы
Известно 25 изотопов калия, три из которых встречаются в природе: (93,3%), (0,0117%) и (6,7%) (в мольных долях). Природный имеет период полураспада 1,250e9 лет. Он распадается до стабильного путем захвата электронов или эмиссии позитронов (11,2%) или до стабильного путем бета-распада (88,8%). Распад в лежит в основе распространенного метода датирования горных пород. Традиционный метод K-Ar датирования основан на предположении, что породы не содержали аргона в момент образования и что весь последующий радиогенный аргон был полностью удержан. Минералы датируются путем измерения концентрации калия и количества накопившегося радиогенного . Наиболее подходящими для датирования минералами являются биотит, мусковит, метаморфический роговая обманка и вулканический полевой шпат; образцы цельных пород из вулканических потоков и неглубоких интрузий также могут быть датированы, если они не подверглись изменениям. Помимо датирования, изотопы калия использовались в качестве трассеров в исследованиях выветривания и круговорота питательных веществ, поскольку калий является макроэлементом, необходимым для жизни на Земле. содержится в природном калии (и, следовательно, в некоторых коммерческих заменителях соли) в достаточном количестве, чтобы большие мешки этих заменителей можно было использовать в качестве радиоактивного источника для демонстраций в классе. является радиоизотопом с наибольшей распространенностью в человеческом организме. У здоровых животных и людей представляет собой основной источник радиоактивности, даже больший, чем . В человеческом теле весом 70 кг около 4400 ядер распадается в секунду. Активность природного калия составляет 31 Бк/г.
Калий
Поташ представляет собой в основном смесь солей калия, поскольку растения содержат мало или совсем не содержат натрия, а основную часть минерального состава растений составляют соли кальция с относительно низкой растворимостью в воде. Хотя поташ используется с древних времен, его состав оставался неизвестным. Георг Эрнст Шталь получил экспериментальные данные, которые в 1702 году привели его к предположению о принципиальном различии солей натрия и калия, а Анри Луи Дюамель дю Монсо смог доказать это различие в 1736 году. Точный химический состав соединений калия и натрия, а также их статус как химических элементов, тогда были неизвестны, поэтому Антуан Лавуазье не включил щелочные металлы в свой список химических элементов в 1789 году. Долгое время основными областями применения поташа были производство стекла, отбеливателей, мыла и пороха в виде нитрата калия. Мыло, изготовленное из калия, из животных жиров и растительных масел, особенно ценилось благодаря его большей растворимости в воде и мягкой текстуре, поэтому его называли жидким мылом. Это привело к резкому росту спроса на калийные соли. Зола ели первоначально использовалась в качестве источника калийных солей для удобрений, но после открытия в 1868 году месторождений хлорида калия недалеко от Штассфурта (Германия) производство калийных удобрений началось в промышленных масштабах. Были обнаружены и другие месторождения поташа, и к 1960-м годам Канада стала ведущим производителем.
Возникновение
Калий образуется в сверхновых в результате нуклеосинтеза из более легких атомов. Основной объем калия создается в сверхновых типа II посредством взрывного процесса горения кислорода. Это реакции ядерного синтеза, которые не следует путать с химическим сжиганием калия в кислороде. Калий также образуется в s-процессе нуклеосинтеза и в процессе горения неона. Калий – двадцатый по распространенности элемент в Солнечной системе и семнадцатый по массе на Земле. Он составляет около 2,6% массы земной коры и является седьмым по распространенности элементом в земной коре. Концентрация калия в морской воде составляет 0,39 г/л.
Геология
Элементарный калий не встречается в природе из-за своей высокой реакционной способности. Он бурно реагирует с водой.
Идентификация катиона
Калий в настоящее время количественно определяется методами ионизации, но ранее для этого использовался гравиметрический анализ. Реагенты, применяемые для осаждения солей калия, включают тетрафенилборат натрия, гексахлороплатиновую кислоту и кобальтинитрит натрия, образуя соответственно тетрафенилборат калия, гексахлороплатинат калия и кобальтинитрит калия. В 2005 году около 93% мирового производства калия было использовано в производстве удобрений.
Цитрат калия
Цитрат калия используется для лечения состояния, связанного с образованием камней в почках, называемого почечным тубулярным ацидозом.
Хлорид калия
Калий в форме хлорида калия используется как лекарственное средство для лечения и профилактики гипокалиемии. Гипокалиемия может развиться вследствие рвоты, диареи или приема определенных лекарственных препаратов. Его вводят медленно внутривенно или принимают внутрь.
Пищевые добавки
Тартрат калия и натрия (|KNaC4H4O6, Rochelle salt) является основным компонентом некоторых видов разрыхлителей для выпечки; он также используется при серебрении зеркал. Бромат калия (|KBrO3) – сильный окислитель (E924), применяемый для улучшения эластичности теста и увеличения высоты подъема. Бисульфит калия (|KHSO3) используется в качестве пищевого консерванта, например, при производстве вина и пива (но не мяса). Он также применяется для отбеливания текстиля и соломы, а также в процессе дубления кожи.
Промышленный
Основными химическими веществами калия являются гидроксид калия, карбонат калия, сульфат калия и хлорид калия. Ежегодно производятся мегатонны этих соединений. KOH – сильное основание, которое используется в промышленности для нейтрализации сильных и слабых кислот, контроля pH и производства калийных солей. Он также применяется для омыления жиров и масел, в промышленных чистящих средствах и в реакциях гидролиза, например, эфиров. Нитрат калия (KNO3) или селитру получают из природных источников, таких как гуано и отложения, или синтезируют в процессе Габера; он является окислителем в порохе (черном порохе) и важным сельскохозяйственным удобрением. Цианид калия (KCN) используется в промышленности для растворения меди и драгоценных металлов, особенно серебра и золота, посредством образования комплексов. Его применение включает добычу золота, гальванопластику и электроформирование этих металлов; он также используется в органическом синтезе для получения нитрилов. Карбонат калия (K2CO3 или поташ) применяется в производстве стекла, мыла, цветных кинескопов, люминесцентных ламп, текстильных красителей и пигментов. Перманганат калия (KMnO4) – окислитель, отбеливатель и очиститель, используемый для производства сахарина. Хлорат калия (KClO3) добавляется в спички и взрывчатые вещества. Бромид калия (KBr) ранее использовался как успокоительное средство и в фотографии, а также при дублении кожи; все эти применения обусловлены химией иона хромата, а не иона калия.
Лабораторные применения
Сплав натрия и калия, NaK, — это жидкость, используемая в качестве теплоносителя и осушителя для получения сухих и безвоздушных растворителей. Он также может применяться в реакционной дистилляции. Тройной сплав, содержащий 12% Na, 47% K и 41% Cs, обладает самой низкой температурой плавления (-78°C) среди всех металлических соединений.
Биологическая роль
Калий — восьмой или девятый по распространенности элемент по массе (0,2%) в организме человека, поэтому в организме взрослого человека весом 60 кг содержится около 120 г калия. Количество калия в организме примерно сопоставимо с количеством серы и хлора, и лишь кальций и фосфор встречаются чаще (за исключением повсеместно распространенных элементов CHON). Ионы калия входят в состав широкого спектра белков и ферментов.
Гомеостаз
Калийный гомеостаз – это поддержание общего содержания калия в организме, уровня калия в плазме крови и соотношения концентраций калия внутри и вне клеток в узких пределах, несмотря на периодическое поступление калия с пищей, обязательную экскрецию почками и перераспределение между внутриклеточными и внеклеточными пространствами.
Уровни в плазме
Калий в плазме крови обычно поддерживается на уровне 3,5–5,5 миллимолей (ммоль) [или миллиэквивалентов (mEq)] на литр благодаря множеству механизмов. Уровни, выходящие за пределы этого диапазона, связаны с повышением смертности от различных причин, а некоторые заболевания сердца, почек и легких прогрессируют быстрее, если уровень калия в сыворотке крови не поддерживается в пределах нормы. Средний прием пищи содержит 40–50 ммоль калия, что превышает его содержание во всем объеме плазмы (20–25 ммоль). Этот резкий приток вызывает повышение уровня калия в плазме до 10% до его выведения почками и внепочечными механизмами. Гипокалиемия, дефицит калия в плазме крови, может быть смертельной в тяжелых случаях. Распространенные причины – повышенная потеря калия с желудочно-кишечным трактом (рвота, диарея) и повышенная потеря калия почками (диурез). Симптомы дефицита включают мышечную слабость, паралитический илеус, нарушения на ЭКГ, снижение рефлекторной активности; а в тяжелых случаях – паралич дыхательной мускулатуры, алкалоз и сердечную аритмию.
Кишечная фильтрация, реабсорбция и выведение
Обработка калия почками тесно связана с обработкой натрия. Калий является основным катионом (положительным ионом) внутри клеток животных (150 ммоль/л, 4,8 г/л), в то время как натрий является основным катионом внеклеточной жидкости (150 ммоль/л, 3,345 г/л). В почках около 180 литров плазмы фильтруется через клубочки и в почечные канальцы в сутки. Эта фильтрация включает в себя около 600 мг натрия и 33 мг калия. Поскольку только 1–10 мг натрия и 1–4 мг калия, вероятно, будут восполнены с пищей, почечная фильтрация должна эффективно реабсорбировать остальное из плазмы. Натрий реабсорбируется для поддержания внеклеточного объема, осмотического давления и концентрации натрия в сыворотке крови в узких пределах. Калий реабсорбируется для поддержания концентрации калия в сыворотке крови в узких пределах. Натриевые насосы в почечных канальцах работают для реабсорбции натрия. Калий необходимо сохранять, но поскольку количество калия в плазме крови очень мало, а пул калия в клетках примерно в 30 раз больше, ситуация с калием не столь критична. Поскольку калий перемещается пассивно навстречу потоку натрия в ответ на кажущееся (но не фактическое) равновесие Доннана, концентрация калия в моче не может опуститься ниже концентрации калия в сыворотке крови, за исключением случаев активного выведения воды в конце процесса. Калий выводится дважды и реабсорбируется три раза, прежде чем моча достигает собирательных трубочек. В этот момент концентрация калия в моче обычно примерно такая же, как и в плазме. В конце процесса калий секретируется еще раз, если уровень калия в сыворотке крови слишком высок. При полном отсутствии поступления калия с пищей он выводится примерно в количестве 200 мг в сутки, пока, примерно через неделю, концентрация калия в сыворотке не снизится до умеренно дефицитного уровня 3,0–3,5 ммоль/л. Если поступление калия с пищей не возобновляется, концентрация продолжает падать, пока тяжелый дефицит не приведет к летальному исходу. Калий перемещается пассивно через поры в клеточной мембране. Когда ионы перемещаются через ионные транспортеры (насосы), в насосах с обеих сторон клеточной мембраны есть ворота, и только одни ворота могут быть открыты одновременно. В результате примерно 100 ионов проходят через них в секунду. Ионные каналы имеют только одни ворота, и через них может проходить только один тип ионов со скоростью от 10 до 100 миллионов ионов в секунду. Для открытия пор требуется кальций, хотя кальций может действовать и в обратном направлении, блокируя по крайней мере один из поров. Карбонильные группы внутри поры на аминокислотах имитируют водную гидратацию, которая происходит в водном растворе благодаря природе электростатических зарядов на четырех карбонильных группах внутри поры.
Диетические рекомендации
Национальная академия медицины США (NAM) от имени США и Канады устанавливает диетические нормы потребления, включая оценочные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) или адекватные уровни потребления (AIs), когда недостаточно информации для установления EAR и RDA. Для детей мужского и женского пола в возрасте до 9 лет адекватный уровень потребления (AIs) калия составляет: 400 мг для младенцев от 0 до 6 месяцев, 860 мг для младенцев от 7 до 12 месяцев, 2000 мг для детей от 1 до 3 лет и 2300 мг для детей от 4 до 8 лет. Для мужчин в возрасте 9 лет и старше AIs калия составляют: 2500 мг для мужчин от 9 до 13 лет, 3000 мг для мужчин от 14 до 18 лет и 3400 мг для мужчин в возрасте 19 лет и старше. Для женщин в возрасте 9 лет и старше AIs калия составляют: 2300 мг для женщин от 9 до 18 лет и 2600 мг для женщин в возрасте 19 лет и старше. Для беременных и кормящих женщин AIs калия составляют: 2600 мг для беременных в возрасте от 14 до 18 лет, 2900 мг для беременных в возрасте 19 лет и старше; а также 2500 мг для кормящих женщин в возрасте от 14 до 18 лет и 2800 мг для кормящих женщин в возрасте 19 лет и старше. В отношении безопасности NAM также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, но для калия доказательств было недостаточно для установления UL. По состоянию на 2004 год большинство взрослых американцев потребляют менее 3000 мг. Аналогично, в Европейском Союзе, в частности в Германии и Италии, недостаточное потребление калия встречается довольно часто. Национальная служба здравоохранения Великобритании рекомендует аналогичный уровень потребления, указывая, что взрослым необходимо 3500 мг в день, а превышение этой нормы может вызвать проблемы со здоровьем, такие как боли в животе и диарея. В 2019 году Национальные академии наук, инженерии и медицины пересмотрели адекватный уровень потребления калия до 2600 мг/день для женщин в возрасте 19 лет и старше, не являющихся беременными или кормящими, и 3400 мг/день для мужчин в возрасте 19 лет и старше.
Источники пищи
Калий содержится во всех фруктах, овощах, мясе и рыбе. Продукты с высоким содержанием калия включают ямс, петрушку, курагу, молоко, шоколад, все орехи (особенно миндаль и фисташки), картофель, побеги бамбука, бананы, авокадо, кокосовую воду, соевые бобы и отруби. Министерство сельского хозяйства США также перечисляет томатную пасту, апельсиновый сок, ботву свеклы, белую фасоль, плантаны и многие другие пищевые источники калия, ранжированные в порядке убывания содержания калия. Суточная норма калия содержится в 5 плантанах или 11 бананах.
Недостаточное потребление
Диеты с низким содержанием калия могут вызывать гипертонию и гипокалиемию.
Дополнение
Добавки калия наиболее широко используются в сочетании с диуретиками, блокирующими реабсорбцию натрия и воды выше по ходу дистального канальца (тиазидные и петлевые диуретики), поскольку это усиливает секрецию калия в дистальном канальце, что приводит к увеличению выведения калия. Доступно множество рецептурных и безрецептурных препаратов. Хлорид калия можно растворять в воде, но из-за соленого/горького вкуса жидкие добавки неприятны на вкус. Добавки калия могут использоваться для уменьшения влияния гипертонии и, тем самым, снижения сердечно-сосудистого риска. Хлорид калия и бикарбонат калия могут быть полезны для контроля легкой артериальной гипертензии. В 2020 году калий был 33-м наиболее часто назначаемым лекарственным средством в США, с количеством более 17 миллионов рецептов. Прием добавок калия показал снижение как систолического, так и диастолического артериального давления у пациентов с эссенциальной гипертензией.