KÁLIUM: TÖRTÉNELEM, SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, REAKCIÓK, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A kálium lúgos kémiai szimbóluma K. A atomszáma 19 és a periódusos táblázatban a nátrium alatt található. Ez egy puha fém, amelyet kés is vágni lehet. Ezenkívül nagyon könnyű, és folyékony vízen úszhat, miközben erőteljesen reagál.

Frissen vágva, nagyon fényes ezüstfehér színű, de levegőnek való kitettséggel gyorsan oxidálódik és elveszíti csillogását, szürkés színűvé válva (szinte kékes, mint az alábbi képen).

Részben oxidált káliumdarabok, amelyeket ásványolajban tárolnak. Forrás: 2 × 910

A kálium robbanásszerűen reagál vízzel kálium-hidroxid és hidrogén-gáz képződéséhez. Éppen ez a gáz felelős a reakció robbanékonyságáért. Amikor ég a világítótoronyban, izgatott atomjai intenzív lila színűre festenek a lángot; ez az egyik minőségi tesztje.

Ez a földkéreg hetedik legszélesebb körű fémje, súlyának 2,6% -át képviseli. Elsősorban fakó kőzetekben, palaban és üledékekben található meg, olyan ásványok mellett, mint a szlvit (KCl). A nátriummal ellentétben a tengervíz koncentrációja alacsony (0,39 g / L).

A káliumot 1807-ben Sir Humphrey Davy angol vegyész izolálta hidroxid-oldatának (KOH) elektrolízisével. Ez a fém volt az első, amelyet elektrolízissel izoláltak, és Davy angolul neve káliumot adott neki.

Németországban azonban a kalium nevet használták a fémre. Pontosan ebből az utónévből származik a „K” betű, amelyet a kálium kémiai szimbólumaként használnak.

Maga a fém kevés ipari felhasználású, ám sok hasznos vegyületet eredményez. Biológiai szempontból azonban sokkal fontosabb, mivel ez a testünk egyik alapvető eleme.

Például a növényekben elősegíti a fotoszintézist, az ozmózis folyamatát. Elősegíti a fehérje szintézist is, elősegítve ezzel a növények növekedését.

Történelem

hamuzsír

Az ősidők óta az ember kálium-káliumot használt műtrágyaként, figyelmen kívül hagyva a kálium létezését, még kevésbé a kálium-káliumhoz való viszonyát. Ezt a fatörzsek hamujából és a fák leveleiből készítették, és vizet adtak hozzá, amelyet később elpárologtattak.

A zöldségek többnyire káliumot, nátriumot és kalciumot tartalmaznak. A kalciumvegyületek azonban vízben rosszul oldódnak. Ezért a hamuzsír kálium-vegyületek koncentrátuma volt. A szó az angol „pot” és „ash” szavak összehúzódásából származik.

1702-ben G. Ernst Stahl különbséget javasolt a nátrium- és a káliumsók között; Ezt a javaslatot Henry Duhamel du Monceau 1736-ban igazolta. Mivel a sók pontos összetétele nem volt ismert, Antoine Lavoiser (1789) úgy döntött, hogy nem vesz fel lúgokat a kémiai elemek listájába.

Felfedezés

1797-ben a német kémikus, Martin Klaproth felfedezte a hamuzsírot a leucit és a lepidolit ásványokban, így arra a következtetésre jutott, hogy ez nem csupán növényi termék.

1806-ban Sir Humphrey Davy, az angol kémikus felfedezte, hogy a vegyület elemei közötti kapcsolat elektromos jellegű.

Davy ezután a káliumot kálium-hidroxid elektrolízisével izolálta, a gömböket megfigyelve egy fém csillogással, amely az anódon felhalmozódott. A fémet az angol etimológia szóval nevezi a káliumnak.

1809-ben Ludwig Wilhelm Gilbert Davy káliumának kalium (kalium) nevét javasolta. Berzelius előhívta a kalium nevet, hogy a káliumot a "K" kémiai szimbólumhoz rendelje.

Végül Justus Liebig 1840-ben felfedezte, hogy a kálium szükséges elem a növények számára.

A kálium szerkezete és elektronkonfigurációja

A fém-kálium normál körülmények között kristályosodik a testközpontú köbös (bcc) struktúrában. Ezt jellemzően vékony, amely megegyezik a kálium tulajdonságaival. A K-atomot nyolc szomszéd veszi körül, közvetlenül a kocka közepén, és a többi K-atom a csúcsokon helyezkedik el.

Ezt a bcc fázist szintén KI fázisnak nevezzük (az első). Ha a nyomás növekszik, a kristályszerkezet az arcközpontú köbös (fcc) fázisba tömörül. Ennek az átmenetnek a spontán bekövetkezéséhez azonban 11 GPa nyomás szükséges.

Ez a sűrűbb fcc fázis K-II néven ismert. Magasabb nyomáson (80 GPa) és alacsonyabb hőmérsékleteken (kevesebb mint -120 ºC) a kálium harmadik fázist kap: K-III. A K-III-nak az a képessége, hogy más atomokat vagy molekulákat képes befogadni a kristály üregeiben.

Két további kristályos fázis van még magasabb nyomáson: K-IV (54 GPa) és KV (90 GPa). Nagyon hideg hőmérsékleten a kálium amorf fázist mutat (rendezetlen K-atomokkal).

Oxidációs szám

A kálium elektronkonfigurációja:

4s ¹

A 4s-es pálya a legkülső, és ezért az egyetlen vegyérték-elektronja van. Ez elméletileg felelős a fémkötésért, amely a K atomokat együtt tartja a kristály meghatározásához.

Ugyanazon elektronkonfigurációból könnyen megérthető, hogy a kálium miért általában (vagy csaknem mindig) oxidációs számával +1 rendelkezik. Amikor egy elektron elveszíti a K ⁺ kation kialakulását, a nemesgáz-argon teljes valencia-oktéttel izoelektronikusvá válik.

A származékvegyületek többségében a káliumot K ⁺ -nak ^tekintik (még akkor is, ha kötései nem tisztán ionosak).

Másrészt, bár kevésbé valószínű, hogy a kálium elnyerhet egy elektronot, amelynek két elektronja van a 4s-es pályáján. Így a kalcium-fém izoelektronikusvá válik:

4s ²

Azt mondják, hogy elektronot nyert és negatív oxidációs számmal rendelkezik, -1. Ha ezt az oxidációs számot egy vegyületben számítják ki, akkor feltételezik, hogy a potasid anion, K ^- létezik.

Tulajdonságok

Megjelenés

Fényes fehér ezüst fém.

Moláris tömeg

39,0983 g / mol.

Olvadáspont

83,5 ° C

Forráspont

759 ° C

Sűrűség

-0,862 g / cm ³, szobahőmérsékleten.

-0,828 g / cm ³, a olvadáspont (folyadék).

Oldhatóság

Hevesen reagál vízzel. Folyékony ammóniában, etiléndiaminban és anilinben oldódik. Oldódik más alkálifémekben ötvözetek képzéséhez és a higanyban.

Gőzsűrűség

1.4 a levegőhöz viszonyítva, mint 1.

Gőznyomás

8 mmHg 432 ° C-on.

Stabilitás

Stabil, ha a levegőtől és a nedvességtől védve van.

korróziós

Fémekkel érintkezve maró hatású lehet. Érintkezés esetén bőr- és szemégést okozhat.

Felületi feszültség

86 dyne / cm 100 ° C-on.

A fúziós hő

2,33 kJ / mol.

A párolgás hője

76,9 kJ / mol.

Moláris hőkapacitás

29,6 J / (mol · K).

elektronegativitás

0,82 a Pauling skálán.

Ionizációs energiák

Első ionizációs szint: 418,8 kJ / mol.

Második ionizációs szint: 3,052 kJ / mol.

Az ionizáció harmadik szintje: 4 420 kJ / mol.

Atomic radio

227 órakor.

Kovalens sugár

203 ± 12 óra.

Hőtágulás

83,3 µm / (m · K) 25 ° C-on.

Hővezető

102,5 W / (mK).

Elektromos ellenállás

72 nΩm (25 ° C-on).

Keménység

0,4 a Mohs skálán.

Természetes izotópok

A kálium elsősorban három izotóp formájában fordul elő: ³⁹ K (93,258%), ⁴¹ K (6,73%) és ⁴⁰ K (0,012%, radioaktív β-kibocsátás)

Elnevezéstan

A káliumvegyületek oxidációs száma alapértelmezés szerint +1 (nagyon különleges kivételekkel). Ezért az állomány-nómenklatúrában a nevek végén az (I) jelölést kihagyják; és a hagyományos nómenklatúrában a nevek -ico utótaggal végződnek.

Például a KCl kálium-klorid, nem pedig kálium (I) -klorid. Hagyományos neve kálium-klorid vagy kálium-monoklorid, a szisztematikus nómenklatúra szerint.

A többi vonatkozásában a kálium körüli nómenklatúra meglehetősen egyszerű, hacsak nem nagyon közönséges név vagy ásványi anyag (például szilvin).

alakzatok

A kálium nem található meg a természetben fémes formában, ám ebben a formában bizonyos felhasználásokhoz előállíthatók. Főleg élőlényekben található meg, ionos formában (K ⁺). Általában ez a fő intracelluláris kation.

A kálium számos vegyületben található, például kálium-hidroxidban, acetátban vagy kloridban stb. Ez körülbelül 600 ásványi anyag részét képezi, beleértve a szlvitet, az alunitet, a karnalitet stb.

A kálium ötvözeteket képez más alkáli elemekkel, például nátriummal, céziummal és rubídiummal. Terápiás ötvözeteket képez nátriummal és céziummal, úgynevezett eutektikus fúziókkal.

Biológiai szerepe

Növények

A kálium, a nitrogén és a foszfor mellett, a három fő növényi tápanyag. A káliumot a gyökerek ionos formában abszorbeálják: ezt a folyamatot kedvelik a megfelelő páratartalom, hőmérséklet és oxigénellátás.

Szabályozza a levél sztóma megnyitását és bezárását: olyan tevékenység, amely lehetővé teszi a szén-dioxid felvételét, amely a vízzel a fotoszintézis során kombinálódik, és glükózt és oxigént képez; Ezek olyan ATP-generátorok, amelyek az élőlények fő energiaforrását képezik.

Megkönnyíti a növény növekedésével kapcsolatos egyes enzimek szintézisét, a keményítőn kívül egy energiatartalék anyag mellett. Az ozmózisba is beavatkozik: a víz és ásványi anyagok gyökérfelszívódásához szükséges folyamat; és a víz emelkedésekor a xylémén keresztül.

A klorózis a növények káliumhiányának megnyilvánulása. Jellemzője, hogy a levelek elveszítik zöldességüket, sárgássá válnak, égett élekkel; és végül a defoliació megtörténik, a növény növekedésének késleltetésével.

állatok

Állatokban általában a kálium a fő intracelluláris kation, amelynek koncentrációja 140 mmol / L; míg az extracelluláris koncentráció 3,8 és 5,0 mmol / L között változik. A test káliumának 98% -a az intracelluláris rekeszre korlátozódik.

Noha a káliumbevitel 40-200 mmol / nap között változhat, extracelluláris koncentrációját állandóan tartja a renális kiválasztás szabályozása. Ebben szerepet játszik az aldoszteron hormon, amely a gyűjtő és a távoli tubulus szintjén szabályozza a kálium szekréciót.

A kálium központi felelős az intracelluláris ozmolaritás fenntartásáért, ezért felelős a sejtek integritásának fenntartásáért.

Bár a plazmamembrán viszonylag áteresztőképességű a kálium számára, az intracelluláris koncentrációját a Na, ATPáz enzim (nátrium- és káliumszivattyú) aktivitása tartja fenn, amely három nátriumatomot távolít el és két káliumatomot vezet be.

A sejtek repolarizációja

Izgatható sejtek, amelyek neuronokból, valamint szalagos és simaizomsejtekből állnak; és a váz- és szívizomsejtekből álló vonalas izomsejtek képesek mind cselekvési potenciál kialakítására.

Az ingerlékeny sejtek belseje negatív töltésű a sejt külsejéhez viszonyítva, de megfelelő stimulálás esetén megnő a sejtek plazmamembránjának a nátrium permeabilitása. Ez a kation áthatol a plazmamembránon, és pozitívvá teszi a sejt belsejét.

A bekövetkezett jelenséget akciópotenciálnak nevezzük, amelynek számos tulajdonsága van, köztük képes terjedni az egész neuronban. Az agy által kiadott parancs akciópotenciálként továbbad egy adott izomba, hogy összehúzódjon.

Új akciópotenciál kialakulásához a cella belsejének negatív töltéssel kell rendelkeznie. Ehhez kilép a kálium a sejt belsejéből, visszatérve eredeti negatívumába. Ezt a folyamatot repolarizációnak nevezik, amely a kálium fő funkciója.

Ezért az akciópotenciálok kialakulását és az izom összehúzódásának megindítását állítólag a nátrium és a kálium közös felelősségi körébe tartozik.

Egyéb funkciók

A kálium az emberi funkciók más funkcióit is szolgálja, mint például az érrendszer tónusát, a szisztémás vérnyomás szabályozását és a gyomor-bél motilitását.

A kálium plazmakoncentrációjának növekedése (hiperkalémia) számos olyan tünethez vezet, mint szorongás, émelygés, hányás, hasi fájdalom és az elektrokardiogram rendellenességei. A kamrai repolarizációval kapcsolatos T hullám magas és széles.

Ezt a rekordot az magyarázza, hogy ahogy a kálium extracelluláris koncentrációja növekszik, lassabban hagyja el a sejtet a külső részről, így a kamrai repolarizáció lassabb.

A plazma káliumkoncentráció csökkenése (hypocalcemia) többek között az alábbi tünetekkel jár: izomgyengeség, csökkent bélmozgás, csökkent glomeruláris szűrés, szívritmuszavar és az elektrokardiogram T hullámának ellaposodása.

A T-hullám lerövidül, mivel az extracelluláris káliumkoncentráció csökkentésével megkönnyíti annak kilépését a sejt külseje felé, és csökken a repolarizáció időtartama.

Hol található a kálium és a termelés

Szilvit kristály, amely gyakorlatilag kálium-kloridból áll. Forrás: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

A kálium elsősorban idegen kőzetekben, palaban és üledékekben található. Az ásványokban, például a muszkovitban és az ortoklazában is, amelyek vízben nem oldódnak. Az ortoklasz egy ásványi anyag, amely általában iszapkövekben és gránitban fordul elő.

A kálium szintén jelen van vízben oldódó ásványi vegyületekben, mint például a karnalit (KMgCl ₃ · 6H ₂ O), a szlvit (KCl) és a landbeinit, amelyek megtalálhatók a száraz tómedencékben és a tengerfenékben.

Ezenkívül a kálium a sós lében található, valamint növényi fatörzsek és levelek égetésének eredményeként a hamuzsír előállítására szolgáló eljárás során. Noha a tengervíz koncentrációja alacsony (0,39 g / L), kálium előállítására is felhasználják.

A kálium olyan nagy lerakódásokban van jelen, mint például a kanadai Saskatchewanben, ásványi szlvitben (KCl) gazdag, és képes előállítani a világ káliumfogyasztásának 25% -át. A sós folyékony folyadékok jelentős mennyiségű káliumot tartalmazhatnak, KCl formájában.

Elektrolízis

A kálium előállítása két módszerrel történik: elektrolízissel és termikus úton. Az elektrolízis során a Davy által a kálium izolálására alkalmazott módszert nagy változtatások nélkül követték.

Ipari szempontból azonban ez a módszer nem volt hatékony, mivel az olvadt káliumvegyületek magas olvadáspontját csökkenteni kell.

A kálium-hidroxid elektrolízis módszerét iparilag használták az 1920-as években, a termikus módszer azonban ezt helyettesítette, és 1950 után vált a fém előállításának domináns módszerévé.

Termikus módszer

A termikus eljárás során a káliumot olvadt kálium-klorid redukciójával 870 ° C-on állítják elő. Ezt folyamatosan táplálják a sóval töltött desztillációs oszlopba. Eközben a nátriumgőz áthalad az oszlopon, hogy redukálja a kálium-kloridot.

A kálium a reakció leginkább illékony alkotóeleme, amely a desztillációs oszlop tetején halmozódik fel, ahol folyamatosan összegyűjthető. A fém kálium termikus módszerrel történő előállítását a következő kémiai egyenletben lehet felvázolni:

Na (g) + KCl (l) => K (l) + NaCl (l)

A kálium előállításában a Griesheimer-eljárást is alkalmazzák, amelyben a kálium-fluorid és a kalcium-karbid reakcióba lép:

2 KF + CAC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

reakciók

Szervetlen

A kálium egy nagyon reakcióképes elem, amely gyorsan reagál az oxigénnel, és három oxidot képez: kálium-oxidot (K ₂ O), peroxidot (K ₂ O ₂) és szuperoxidot (KO ₂).

A kálium erősen redukáló elem, ezért gyorsabban oxidálódik, mint a legtöbb fémek. Fémsók redukálására használják fel, a kálium helyett a sóban lévő fémre. Ez a módszer lehetővé teszi tiszta fémek előállítását:

MgCl ₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

A kálium erőteljesen reagál a vízzel, kálium-hidroxidot képezve, és robbanásveszélyes hidrogéngázt bocsát ki (az alábbi kép):

Fémes kálium, reagáltatva egy fenolftalein vizes oldatával, amely lila-piros színűvé válik, amikor az OH-ionok a közegbe kerülnek. Vegye figyelembe a hidrogéngáz képződését. Forrás: Az ózon-aurora és Philip Evans a Wikipedia útján.

A kálium-hidroxid reagálhat szén-dioxiddal kálium-karbonát előállítására.

A kálium 60 ° C hőmérsékleten reagál szén-monoxiddal, robbanásveszélyes karbonil (K ₆ C ₆ O ₆) képződésekor. 350 ° C-on hidrogénnel reagál, hidridet képezve. Nagyon reagál a halogénekkel és folyékony brómmal érintkezve felrobban.

Robbanások akkor is előfordulnak, ha a kálium reagál halogénezett savakkal, például sósavval, és az elegyet erősen megüt vagy rázza. Az olvadt kálium tovább reagál kénnel és hidrogén-szulfiddal.

Organikus

Reagál aktív csoportokat tartalmazó szerves vegyületekkel, de inert az alifás és aromás szénhidrogénekkel szemben. A kálium lassan reagál ammóniával, és potasomint (KNH ₂) képez.

A nátriummal ellentétben a kálium a szénnel grafit formájában reagál, és egy sor interlamináris vegyületet képez. Ezeknek a vegyületeknek a szén-kálium atomaránya: 8, 16, 24, 36, 48, 60 vagy 1; azaz például a KC ₆₀.

Alkalmazások

Fém kálium

A fém kálium iránti igény nincs nagy. Ennek nagy része kálium-szuperoxiddá alakul, amelyet légzőkészülékek használnak, mivel felszabadítja az oxigént, és eltávolítja a szén-dioxidot és a vízgőzt.

A NaK ötvözet nagy hőelnyelési képességgel rendelkezik, ezért hűtőközegként használják egyes nukleáris reaktorokban. Hasonlóképpen, a párologtatott fémet is használtak turbinákban.

vegyületek

Klorid

A KCl-t a mezőgazdaságban műtrágyaként használják. Nyersanyagként használják más kálium-vegyületek, például kálium-hidroxid előállításához.

Hidroxid

Kókuszdióta, KOH néven is ismert, szappanok és mosószerek gyártásához használják.

Jóddal való reakciója kálium-jodidot eredményez. Ezt a sót hozzáadják az asztali sóhoz (NaCl) és táplálják, hogy megvédjék a jódhiánytól. A kálium-hidroxidot alkáli elemek gyártásához használják.

nitrát

Más néven saláta, KNO ₃, műtrágyaként használják. Ezenkívül a tűzijátékok kidolgozásához is használják; élelmiszer-tartósítószerként és edző üvegben.

kromát

Műtrágyák és kálium-timföld előállításához használják.

Karbonát

Üveggyártásban használják, különösen azok, amelyek televíziók gyártására készültek.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Kálium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. McKeehan LW (1922). A kálium kristályszerkezete. Az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratai, 8. (8), 254–255. doi: 10.1073 / pnas.8.8.254
4. Masafumi Sakata et al. (2017). A kálium strukturális fázistranszfer nagynyomású és alacsony hőmérsékleten. J. Phys.: Conf. Ser. 950 042020.
5. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Kálium. PubChem Database., CID = 5462222. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019. május 03.). Kálium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
7. A Kémiai Királyi Társaság. (2019). Kálium. Helyreállítva: rsc.org
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. január 24.) 10 Kálium-tények. Helyreállítva: gondolat.com
9. Legjobb és Taylor. (2003). Az orvosi gyakorlat élettani alapjai. (13. kiadás spanyolul). Szerkesztő Médica Panamericana.
10. Elm Axayacatl. (2018. március 2.). A kálium (K) jelentősége a termesztett növényekben. Helyreállítva: blogagricultura.com
11. Lenntech BV (2019). Kálium. Helyreállítva: lenntech.com