钾：历史，结构，性质，反应，用途 - 化学

的钾是碱性化学符号是K.其原子序数为19和位于下方钠在周期表中。它是一种软金属，甚至可以用小刀切割。另外，它很轻，并且可以在剧烈反应的同时漂浮在液态水上。

刚切割时，它具有非常明亮的银白色，但是当暴露于空气中时，它会迅速氧化并失去光泽，变成浅灰色（几乎是蓝色，如下图所示）。

储存在矿物油中的钾部分氧化。来源：2×910

钾与水发生爆炸性反应，形成氢氧化钾和氢气。正是这种气体负责反应的爆炸性。当它在打火机中燃烧时，其激发原子将火焰染成淡紫色。这是他的定性测试之一。

它是地壳中第七大最丰富的金属，占其重量的2.6％。除钾盐（KCl）等矿物外，还主要发现于火成岩，页岩和沉积物中。与钠不同，其在海水中的浓度很低（0.39 g / L）。

1807年，英国化学家汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphrey Davy）通过电解氢氧化物KOH溶液分离出钾。这种金属是第一种通过电解分离的金属，戴维（Davy）将其命名为钾。

但是，在德国，钾的名称是指金属。这个姓氏恰好来自字母“ K”，用作钾的化学符号。

金属本身几乎没有工业用途，但确实会产生许多有用的化合物。然而，从生物学上讲，它是更为重要的，因为它是人体的重要元素之一。

例如，在植物中，它有利于光合作用，即渗透过程。它还促进蛋白质合成，从而有利于植物的生长。

历史

钾肥

自古以来，人类一直使用钾肥作为肥料，而忽略了钾的存在，更不用说钾与钾的关系了。这是从树的树干和树叶的灰烬中制备的，向其中加入水，然后将其蒸发。

蔬菜主要含有钾，钠和钙。但是钙化合物难溶于水。因此，钾盐是钾化合物的浓缩物。该词源自英语单词“ pot”和“ ash”的收缩。

1702年，G。Ernst Stahl提出了钠盐和钾盐之间的区别。亨利·杜哈默·杜蒙索（Henry Duhamel du Monceau）于1736年证实了这一建议。由于尚不清楚盐的确切组成，安托万·拉沃塞尔（Antoine Lavoiser，1789年）决定不在化学元素中包括碱。

发现

1797年，德国化学家马丁·克拉普罗斯（Martin Klaproth）在白云母和锂云母矿物中发现了钾盐，因此他得出结论，它不仅仅是植物的产物。

1806年，英国化学家汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphrey Davy）发现，化合物元素之间的键本质上是电的。

戴维然后通过氢氧化钾的电解分离钾，观察在阳极积累的金属光泽小球。他用英语词源词钾来命名这种金属。

1809年，路德维希·威廉·吉尔伯特（Ludwig Wilhelm Gilbert）为戴维的钾提出了钾的名称。贝泽留乌斯（Berzelius）称钾为钾，将钾命名为化学符号“ K”。

最终，Justus Liebig在1840年发现钾是植物必需的元素。

钾的结构和电子构型

在正常条件下，金属钾会在体心立方（bcc）结构中结晶。其特征是很薄，与钾的特性相符。一个K原子被八个邻居围绕，它们正好位于一个立方体的中心，其他K原子位于这些顶点。

此阶段bcc也称为阶段KI（第一个阶段）。当压力增加时，晶体结构会压缩为面心立方（fcc）相。但是，需要11 GPa的压力才能自然发生这种转变。

此致密的fcc相称为K-II。在较高的压力（80 GPa）和较低的温度（低于-120ºC）下，钾获得第三相：K-III。K-III的特征是能够容纳其晶体腔内的其他原子或分子。

在更高的压力下，还有另外两个晶相：K-IV（54 GPa）和KV（90 GPa）。在非常冷的温度下，钾甚至表现出无定形相（具有无序的K原子）。

氧化数

钾的电子构型为：

4秒¹

4s轨道是最外面的，因此具有唯一的价电子。从理论上讲，这是将K原子固定在一起以形成晶体的金属键的原因。

从相同的电子结构中，很容易理解为什么钾通常总是（或几乎总是）具有+1的氧化数。当它失去一个电子以形成K ⁺阳离子时，具有全价八位位组的稀有气体氩便成为等电子。

在大多数其衍生物化合物中，假定钾为K ⁺（即使其键不是纯离子键）。

另一方面，尽管钾的可能性较小，但它可以获得一个电子，在其4s轨道上有两个电子。因此，钙金属变成等电子的：

4秒²

据说它获得了电子并且具有负的氧化数-1。当这个氧化数在化合物计算，所述potaside阴离子的存在，K ^-被假定。

物产

出现

光滑的白色银色金属。

摩尔质量

39.0983克/摩尔

熔点

83.5°摄氏度

沸点

759℃。

密度

-0.862 g / cm ³，在室温下。

熔点（液体）为-0.828g / cm ³。

溶解度

与水激烈反应。溶于液态氨，乙二胺和苯胺。溶于其他碱金属形成合金，并溶于汞。

蒸气密度

1.4相对于被视为1。

蒸汽压力

在432°C下为8 mmHg。

稳定性

如果受到空气和湿气的保护，则稳定。

腐蚀性

与金属接触会腐蚀。接触时，可能引起皮肤和眼睛灼伤。

表面张力

在100°C下为86达因/厘米

熔化热

2.33 kJ /摩尔

汽化热

76.9 kJ /摩尔

摩尔热容

29.6 J /（摩尔·K）。

电负性

鲍林标度为0.82。

电离能

第一电离水平：418.8kJ / mol。

第二电离水平：3.052 kJ / mol。

第三级电离：4,420 kJ / mol。

原子无线电

227下午

共价半径

203±12下午

热膨胀

25°C时为83.3 µm /（m·K）。

导热系数

102.5 W /（mK）。

电阻率

72nΩ·m（在25°C时）。

硬度

莫氏刻度为0.4。

天然同位素

钾以三种主要同位素形式存在：³⁹ K（93.258％），⁴¹ K（6.73％）和⁴⁰ K（0.012％，放射性发射β）

命名法

默认情况下，钾化合物的氧化数为+1（非常特殊的例外）。因此，在股票命名中，名称末尾的（I）被省略；在传统术语中，名称以-ico结尾。

例如，KCl是氯化钾，而不是氯化钾（I）。根据系统命名法，其传统名称为氯化钾或一氯化钾。

对于其余的，除非它们是非常普通的名称或矿物质（例如西尔文），否则钾的命名法非常简单。

形状

钾在自然界中并未以金属形式发现，但可以工业上以某种形式用于某些用途。它主要以离子形式（K ⁺）存在于生物中。通常，它是主要的细胞内阳离子。

钾存在于多种化合物中，例如氢氧化钾，乙酸盐或氯化物等。它也是约600种矿物质的一部分，其中包括钾盐，亚矾石，方钠石等。

钾与其他碱性元素（例如钠，铯和rub）形成合金。它还通过所谓的共晶熔合与钠和铯形成三元合金。

生物作用

植物

钾与氮和磷一起构成植物的三种主要营养素。钾以离子形式被根吸收：该过程因存在适当的湿度，温度和氧合作用而受到促进。

调节叶状气孔的开闭：一种吸收二氧化碳的活动，二氧化碳在光合作用过程中与水结合形成葡萄糖和氧气；这些是ATP产生剂，构成了生物的主要能源。

除淀粉（一种能量储备物质）外，它还促进了一些与植物生长相关的酶的合成。它还参与了渗透：这是水分和矿物质的根吸收所必需的过程；并通过木质部在水的上升中。

绿化是植物缺钾的一种表现。它的特征是叶子失去绿色，变黄，边缘烧焦。最后，会发生脱叶，并延缓植物生长。

动物

在动物中，通常钾是主要的细胞内阳离子，浓度为140 mmol / L。而细胞外浓度在3.8至5.0 mmol / L之间变化。人体98％的钾被限制在细胞内区室中。

尽管钾的摄入量可以在40至200 mmol /天之间变化，但其细胞外浓度通过调节肾脏排泄而保持恒定。醛固酮激素在收集管和远端小管的水平上调节钾的分泌。

钾主要负责维持细胞内的渗透压，因此，它负责维持细胞的完整性。

尽管质膜对钾具有较高的渗透性，但其细胞内浓度通过Na，ATPase（钠和钾泵）酶的活性得以维持，该酶去除了三个钠原子并引入了两个钾原子。

细胞复极

兴奋性细胞，由神经元，横纹肌和平滑肌细胞组成；由骨骼和心肌细胞组成的横纹肌细胞均具有形成动作电位的能力。

相对于细胞的外部，可兴奋细胞的内部带负电，但是当适当刺激时，细胞质膜对钠的渗透性增加。该阳离子穿透质膜并使细胞内部变为阳性。

发生的现象称为动作电位，该动作电位具有一组属性，其中包括能够在整个神经元中传播的特性。大脑发出的命令以动作电位的形式传播到给定的肌肉，使其收缩。

为了产生新的动作电位，电池内部必须带负电荷。为此，从细胞内部排出钾，使其恢复为原始的负极性。此过程称为复极化，是钾的主要功能。

因此，据称动作电位的形成和肌肉收缩的开始是钠和钾的共同责任。

其他功能

钾还可以在人类中发挥其他功能，例如血管紧张度，控制全身血压和胃肠蠕动。

血浆钾离子浓度升高（高钾血症）会产生一系列症状，例如焦虑，恶心，呕吐，腹痛和心电图异常。与心室复极有关的T波又高又宽。

解释该记录的原因是，随着细胞外钾浓度的增加，钾离子离开细胞外部的速度变慢，因此心室复极化变慢。

血浆钾浓度降低（血钙过低）主要表现为以下症状：肌肉无力，肠蠕动降低，肾小球滤过减少，心律不齐和心电图T波平坦。

T波缩短了，因为通过降低钾的胞外浓度，促进了其向细胞外部的出口，并且缩短了复极化的持续时间。

在哪里发现钾和生产

银盐晶体，实际上由氯化钾组成。资料来源：iRocks.com的Rob Lavinsky-CC-BY-SA-3.0

钾主要存在于火成岩，页岩和沉积物中。同样，在不溶于水的矿物如白云母和原石中。正长石是一种通常存在于火成岩和花岗岩中的矿物。

钾还存在于水溶性矿物化合物中，例如在干燥的湖床和海床中发现的方钠石（KMgCl ₃ ·6H ₂ O），钾盐（KCl）和褐铁矿。

此外，钾盐存在于盐水中，并且是钾盐生产过程中焚烧植物树干和叶子的产物。尽管其在海水中的浓度较低（0.39 g / L），但它也用于获得钾。

钾存在于大型矿床中，例如加拿大萨斯喀彻温省的矿床中，富含矿盐钾盐，能够生产世界上25％的钾。食盐水可以以KCl的形式包含大量的钾。

电解

钾是通过两种方法生产的：电解法和热法。在电解过程中，戴维（Davy）用于分离钾的方法一直沿用，没有做重大修改。

但是，从工业角度来看，该方法效率不高，因为必须降低熔融钾化合物的高熔点。

氢氧化钾电解法于1920年代工业上使用，但热法取代了它，并在1950年后成为生产这种金属的主要方法。

散热方式

在热法中，钾是通过在870℃下还原熔融氯化钾而产生的。将其连续进料到装有盐的蒸馏塔中。同时，钠蒸气通过柱以产生氯化钾的还原。

钾是反应中最易挥发的组分，并累积在蒸馏塔的顶部，并在其中连续收集。通过热法生产金属钾的过程可以概括为以下化学方程式：

Na（g）+ KCl（l）=> K（l）+ NaCl（l）

利用氟化钾与电石反应的Griesheimer工艺也用于制钾：

2 KF + CaC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

反应

无机的

钾是高反应性元素，可与氧气快速反应形成三种氧化物：氧化钾（K ₂ O），过氧化物（K ₂ O ₂）和超氧化物（KO ₂）。

钾是一种强还原性元素，这就是为什么氧化速度比大多数金属快的原因。它用于还原金属盐，用钾代替盐中的金属。这种方法可以得到纯金属：

MgCl ₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

钾与水强烈反应形成氢氧化钾并释放出爆炸性氢气（下图）：

金属钾与酚酞水溶液反应，当OH-离子释放到介质中时，酚酞变成紫红色。注意氢气的形成。资料来源：臭氧极光和菲利普·埃文斯，通过维基百科。

氢氧化钾可与二氧化碳反应生成碳酸钾。

钾在60°C的温度下与一氧化碳反应生成爆炸性羰基（K ₆ C ₆ O ₆）。它还在350ºC下与氢反应，形成氢化物。它也与卤素高度反应，与液体溴接触会爆炸。

当钾与诸如盐酸之类的卤代酸反应时，也会发生爆炸，并强烈撞击或摇晃混合物。熔融的钾进一步与硫和硫化氢反应。

有机

与含有活性基团的有机化合物反应，但对脂族和芳族烃呈惰性。钾与氨缓慢反应形成钾盐（KNH ₂）。

与钠不同，钾与石墨形式的碳反应形成一系列层间化合物。这些化合物的碳钾原子比为8、16、24、36、48、60或1；例如，KC ₆₀。

应用领域

金属钾

工业上对金属钾的需求不多。它的大部分会转化为用于呼吸器的过氧化钾，因为它会释放氧气并去除二氧化碳和水蒸气。

NaK合金具有很高的吸热能力，这就是为什么它在某些核反应堆中用作冷却剂的原因。同样，汽化金属已用于涡轮机中。

化合物

氯化物

氯化钾在农业上用作肥料。它还用作生产其他钾化合物（如氢氧化钾）的原料。

氢氧化物

也称为苛性钾，KOH，用于制造肥皂和洗涤剂。

它与碘反应生成碘化钾。将该盐添加到食盐（NaCl）中，并进料以防止碘缺乏。氢氧化钾用于制造碱性电池。

硝酸盐

也称为硝石，KNO ₃，用作肥料。此外，它还用于制作烟花。作为食品防腐剂和硬化玻璃。

铬酸盐

它用于肥料生产和钾明矾生产。

碳酸盐

它用于制造玻璃，特别是用于电视制造的玻璃。

参考文献

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