Калий
Общие сведения
Калий представляет собой химический элемент первой группы периодической системы, относящийся к категории щелочных металлов. Международное название элемента и его символ происходят от арабского корня, однако в ряде романских языков и в английском языке используется наименование, исторически связанное с поташом, из которого этот элемент первоначально получали. Открытие калия в чистом виде произошло в 1807 году, когда английский химик Гемфри Дэви впервые выделил его посредством электролиза расплава гидроксида калия. Несколько позже французский исследователь Жозеф Луи Гей-Люссак получил этот элемент химическим путем, прокаливая щелочь с углем. В природе калий представлен тремя изотопами, два из которых стабильны, а один обладает радиоактивностью. Радиоактивный изотоп с периодом полураспада более миллиарда лет вносит значительный вклад в естественный радиационный фон на планете и является одним из источников геотермальной энергии. Накопление продукта его распада, аргона, в минералах позволяет определять возраст различных горных пород.
Свойства и характеристики
В чистом виде калий представляет собой легкий металл серебристого цвета с характерным блеском. Он легко растворяется в ртути, а при горении окрашивает пламя в специфический фиолетовый или розово-фиолетовый цвет. Элемент отличается исключительно высокой химической активностью. На воздухе металл мгновенно окисляется, покрываясь пленкой, состоящей из карбоната и оксида. Взаимодействие с водой носит бурный и взрывоопасный характер, в результате чего образуется гидроксид калия. Из-за столь высокой реакционной способности металл необходимо хранить под слоем бензина, керосина или силикона, что исключает его контакт с влагой и кислородом воздуха. Калий реагирует при комнатной температуре с кислородом и водородом, образуя в последнем случае гидрид. При сгорании на воздухе образуется надпероксид, в то время как получение чистого оксида требует специфических условий, в частности нагревания металла в среде с существенным недостатком кислорода. Элемент также активно взаимодействует с фосфором, образуя фосфиды, с аммиаком, со сложными веществами, кислотами и спиртами. Оксиды калия обладают ярко выраженными основными свойствами и при контакте с водой немедленно превращаются в сильную щелочь.
Нахождение в природе
Вследствие своей предельно высокой химической активности калий не встречается в природе в свободном состоянии. Тем не менее, он чрезвычайно широко распространен в земной коре и входит в состав множества минералов. Значительные концентрации элемента содержатся в слюде, полевых шпатах и других породах. Крупнейшие промышленные месторождения калийных солей расположены на территории Канады, России и Беларуси. В России значительные запасы сосредоточены на Урале, в частности в Пермском крае в районах городов Березники и Соликамск. В Беларуси одним из центров добычи является город Солигорск. Помимо геологических сред, калий выступает важнейшим биогенным элементом, обязательно присутствующим во всех живых клетках. Радиоактивный изотоп калия естественным образом накапливается в живых существах. В организме человека массой 70 килограммов каждую секунду происходят тысячи радиоактивных распадов атомов данного элемента.
Получение
В промышленных масштабах чистый металлический калий получают преимущественно методом электролиза расплавленных щелочей или хлоридов. В процессе электролиза расплавленных хлоридов на катоде выделяется расплавленный металл, а на аноде образуется хлор. Для предотвращения нежелательного взаимодействия получаемого активного калия с выделяющимся хлором или кислородом, катод изготавливают из меди, а анод из никеля. Вода из расплава в ходе данного процесса испаряется, а образующийся жидкий калий собирается в специальном цилиндре. Наряду с электролитическим методом, в промышленности применяется и термохимическое восстановление, также позволяющее получать чистый металл.
Применение
Соединения калия имеют фундаментальное значение для множества отраслей. Одной из главных сфер их использования является сельское хозяйство, где калий выступает базовым компонентом минеральных удобрений. Наличие этого элемента критически важно для процессов фотосинтеза, выработки хлорофилла и сахаров в растениях. Внесение калийных удобрений повышает массу растений, их урожайность и устойчивость к вредителям. В промышленности жидкие сплавы калия с натрием используются в качестве теплоносителей в атомных установках, также применяются сплавы с рубидием и цезием. Пероксид и супероксид калия используются для поглощения углекислого газа с одновременным выделением кислорода. Озонид калия выступает в роли сильного окислителя. В физиологии калий играет жизненно важную роль, являясь антагонистом натрия в работе калий-натриевого насоса клеток. Он необходим для поддержания кислотно-щелочного равновесия, водного баланса и регуляции артериального давления. Дефицит элемента приводит к нарушениям функций сердечной и скелетной мускулатуры, а также вызывает невралгии. Избыток калия способен привести к образованию язв тонкого кишечника и остановке сердца. Основными пищевыми источниками калия служат фасоль, капуста, картофель, бананы, брокколи, молоко, цитрусовые, виноград, рыба и шоколад. Усвоению калия способствует витамин B6, тогда как употребление алкоголя затрудняет этот процесс.