Реферат: Свойства калия

4s¹

Человечество знакомо с калием больше полутора веков. В лекции, прочитанной в Лондоне 20 ноября 1807 г., Хэмфри Дэви сообщил, что при электролизе едкого кали он получил "маленькие шарики с сильным металлическим блеском... Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом". Это и был калий.

Калий - замечательный металл. Замечателен он не только потому, что режется ножом, плавает в воде, вспыхивает на ней со взрывом и горит, окрашивая пламя в фиолетовый цвет. И не только потому, что этот элемент - один из самых активных химически. Все это можно считать естественным, потому что соответствует положению щелочного металла калия в таблице Менделеева. Калий замечателен своей незаменимостью для всего живого и примечателен как всесторонне "нечетный" металл.

Обратите внимание: его атомный номер 19, атомная масса 39, во внешнем электронном слое - один электрон, валентность 1+. Как считают химики, именно этим объясняется исключительная подвижность калия в природе. Он входит в состав нескольких сотен минералов. Он находится в почве, в растениях, в организмах людей и животных. Он - как классический Фигаро: здесь - там - повсюду.

Калий и почва

Вряд ли можно объяснить случайностью или прихотью лингвистов тот факт, что в русском языке одним словом обозначаются и сама наша планета, и ее верхний слой - почва. "Земля-матушка", "земля-кормилица" - это, скорее, о почве, чем о планете в целом...

Но что такое почва?

Самостоятельное и весьма своеобразное природное тело. Оно образуется из поверхностных слоев разнообразных горных пород под действием воздуха, воды, температурных перепадов, жизнедеятельности всевозможных обитателей Земли. Ниже, под почвой, скрыты так называемые материнские горные породы, сложенные из различных минералов. Они постепенно разрушаются и пополняют "запасы" почвы.

А в почве, помимо чисто механического, постоянно происходит и другое разрушение. Его называют химическим выветриванием. Вода и углекислый газ (в меньшей мере другие вещества) постепенно разрушают минералы.

Почти 18% веса земной коры приходится на долю калийсодержащего минерала - ортоклаза. Это двойная соль кремневой кислоты K₂Al₂Si₆O₁₆ или K₂O · Al₂O₃ · 6SiO₂. Вот что происходит с ортоклазом в результате химического выветривания:

К₂О · Аl₂O₃ · 6SiO₂ + 2Н₂О + CO₂ → K₂CO₃ + Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2Н₂O + 4SiO₂.

Ортоклаз превращается в каолин (разновидность глины), песок и поташ. Песок и глина идут на построение минерального костяка почвы, а калий, перешедший из ортоклаза в поташ, "раскрепощается", становится доступным для растений. Но не весь сразу.

В почвенных водах молекулы К₂CO₃ диссоциируют: К₂CO₃ ↔ K⁺ + KCO^-₃ ↔ 2K⁺ + CO^2-₃. Часть ионов калия остается в почвенном растворе, который для растений служит источником питания. Но большая часть ионов калия поглощается коллоидными частицами почвы, откуда корням растений извлечь их довольно трудно. Вот и получается, что, хотя калия в земле много, часто растениям его не хватает.

Из-за того, что комочки почвы "запирают" большую часть калия, содержание этого элемента в морской воде почти в 50 раз меньше, чем натрия. Подсчитано, что из тысячи атомов калия, освобождающихся при химическом выветривании, только два достигают морских бассейнов, а 998 остаются в почве. "Почва поглощает калий, и в этом ее чудодейственная сила", - писал академик А.Е. Ферсман.

Калий и растение

Калий содержится во всех растениях. Отсутствие калия приводит растение к гибели. Почти весь калий находится в растениях в ионной форме - К⁺. Часть ионов находится в клеточном соке, другая часть поглощена структурными элементами клетки.

Ионы калия участвуют во многих биохимических процессах, происходящих в растении. Установлено, что в клетках растений эти ионы находятся главным образом в протоплазме. В клеточном ядре они не обнаружены. Следовательно, в процессах размножения и в передаче наследственных признаков калий не участвует. Но и без этого роль калия в жизни растения велика и многообразна.

Калий входит и в плоды, и в корни, и в стебли, и в листья, причем в вегетативных органах его, как правило, больше, чем в плодах. Еще одна характерная особенность: в молодых растениях больше калия, чем в старых. Замечено также, что по мере старения отдельных органов растений ионы калия перемещаются в точки наиболее интенсивного роста.

При недостатке калия растения медленнее растут, их листья, особенно старые, желтеют и буреют по краям, стебель становится тонким и непрочным, а семена теряют всхожесть.

Установлено, что ионы калия активизируют синтез органических веществ в растительных клетках. Особенно сильно влияют они на процессы образования углеводов. Если калия не хватает, растение хуже усваивает углекислый газ, и для синтеза новых молекул углеводов ему недостает углеродного "сырья". Одновременно усиливаются процессы дыхания, и сахара, содержащиеся в клеточном соке, окисляются. Таким образом, запасы углеводов в растениях, оказавшихся на голодном пайке (по калию), не пополняются, а расходуются. Плоды такого растения - это особенно заметно на фруктах - будут менее сладкими, чем у растений, получивших нормальную дозу калия. Крахмал - тоже углевод, поэтому и на его содержание в плодах сильно влияет калий.

Но и это не все. Растения, получившие достаточно калия, легче переносят засуху и морозные зимы. Это объясняется тем, что калий влияет на способность коллоидных веществ растительных клеток поглощать воду и набухать. Не хватает калия - клетки хуже усваивают и удерживают влагу, сжимаются, отмирают.

Ионы калия влияют и на азотный обмен веществ. При недостатке калия в клетках накапливается избыток аммиака. Это может привести к отравлению и гибели растения.

Уже упоминалось, что калий влияет и на дыхание растений, а усиление дыхания сказывается не только на содержании углеводов. Чем интенсивнее дыхание, тем активнее идут все окислительные процессы, и многие органические вещества превращаются в органические кислоты. Избыток кислот может вызвать распад белков. Продукты этого распада - весьма благоприятная среда для грибков и бактерий. Вот почему при калийном голодании растения намного чаще поражаются болезнями и вредителями. Фрукты и овощи, содержащие продукты распада белков, плохо переносят транспортировку, их нельзя долго хранить.

Одним словом, хочешь получать вкусные и хорошо сохраняющиеся плоды - корми растение калием вволю. А для зерновых калий важен еще по одной причине: он увеличивает прочность соломы и тем самым предупреждает полегание хлебов...

Калийные удобрения

Растения ежегодно извлекают из почвы большое количество калия.

Самое дешевое (фактически даровое) и в то же время прекрасное по качеству калийное удобрение - печная зола. В ней калий находится в виде поташа К₂CO₃. Состав золы различных растений далеко не одинаков. Больше всего калия в золе подсолнечника - 36,3% К₂О (содержание калия в калийных удобрениях принято пересчитывать на K₂O). В золе дров окиси калия значительно меньше - от 3,2% (еловые дрова) до 13,8% (березовые дрова). Еще меньше калия в золе торфа.

Конечно, одной золой калийный голод растений не утолить. Самым важным калийным удобрением стали природные калийные соли, в первую очередь сильвинит и каинит. Сильвинит - очень распространенный минерал. Его состав обозначают формулой mKCl · nNaCl. Кроме хлоридов натрия и калия, в нем есть примеси солей кальция, магния и других элементов. Обычно в сильвините 14...18% К₂O. В каините KCl · MgSO₄ · 3H₂O окиси калия меньше - 10...12%.

Значительную часть природных калийных солей перерабатывают в технический продукт - хлористый калий (содержание калия в пересчете на K₂O 50...62%).

Из сильвинита хлористый калий получают методами галургии или флотации. Первый основан на различной растворимости KCl и NaCl в воде при повышенных температурах. Второй - на разной смачиваемости этих веществ.

Первый метод используется шире. При нормальной температуре растворимость хлоридов калия и натрия почти одинакова. С повышением температуры растворимость NaCl почти не меняется, а растворимость KCl сильно возрастает. На холоде готовят насыщенный раствор обеих солей, затем его нагревают и обрабатывают им сильвинит. При этом раствор дополнительно насыщается хлористым калием, а часть поваренной соли вытесняется из раствора, выпадает в осадок и отделяется фильтрованием. Раствор охлаждают, и из него выкристаллизовывается избыточный хлористый калий. Кристаллы отделяют на центрифугах и сушат, а маточный раствор идет на обработку новой порции сильвинита.

Технический хлористый калий применяют и самостоятельно и в смеси с природными калийными солями.

В качестве удобрения используется также более дорогой, но не гигроскопичный и не слеживающийся сульфат калия K₂SО₄. Это удобрение можно применять на любых почвах. А ионы хлора, вносимые хлористым калием, для некоторых почв явно нежелательны. Противопоказаны они и некоторым растениям. Избыток ионов Сl^- снижает содержание крахмала в клубнях картофеля, ухудшает качество льняных волокон, а персики, виноград и цитрусовые делает более кислыми.

Таким образом, удобряя землю хлористым калием, мы одновременно делаем все, чтобы улучшить и... ухудшить качество будущих плодов. Последнего можно избежать, если применять наиболее рациональные, химически обоснованные способы внесения калийных солей.

Ионы хлора в отличие от ионов калия почвой не поглощаются: они легко вымываются грунтовыми водами и уносятся в нижние горизонты. Поэтому, чтобы сохранить в почве калий, но убрать из нее хлор, нужно хлорсодержащие калийные удобрения вносить в почву осенью. Пока семена прорастут и корневая система начнет усваивать ионы из почвы, осенние дожди и талые воды успеют унести ионы хлора вглубь.

Кстати, любое калийное удобрение нужно не просто разбрасывать равномерно по полю, а заделывать его плугом на глубину пахоты - так намного эффективнее.

В сельскохозяйственной практике принято вносить от 30 до 90 кг K₂O на гектар посева. Но эти дозы весьма условны, поскольку потребность в калийных удобрениях определяется не только составом почвы, но и тем, какая культура на этом поле посеяна. Свекле, картофелю, бобовым культурам, подсолнечнику, гречихе нужно больше калия, нежели пшенице, ржи, ячменю.

Агрономы считают, что при благоприятных условиях один килограмм К₂О в среднем дает такие прибавки урожая: зерна - от 3 до 8 кг, картофеля - 35 кг, сахарной свеклы - 40 кг.

В нашей стране находятся самые богатые в мире месторождения калийных солей (район Соликамска - Березняков). В 1975 г. сельское хозяйство страны получило более 12 млн т калийных удобрений. Это в 12 раз больше, чем в 1950 г., и в 2,6 раза больше, чем в 1965 г.

Калий - человеку

Собственно, все, о чем рассказано выше, - тоже на тему "калий - человеку". А здесь коротко - о биологической роли элемента №19 в жизни наиболее сложного из живых организмов Земли.

Установлено, что соли калия не могут быть заменены в организме человека никакими другими солями. В основном калий содержится в крови и протоплазме клеток. Богаты калием печень и селезенка. Значительна роль этого элемента в регулировании деятельности ферментов.

Нельзя забывать еще об одной роли калия в пашей жизни. Природный калий состоит из трех изотопов: двух стабильных - ³⁹К и ⁴¹К и одного радиоактивного - ⁴⁰К с периодом полураспада около 1,3 млрд лет. Этот изотоп содержится в живых организмах и своим излучением вносит значительный вклад в общую сумму естественного (фонового) облучения...

Организм ребенка, как и молодое растение, требует больше калия, чем организм взрослого человека. Суточная потребность в калии у ребенка составляет 12...13 мг на 1 кг веса, а у взрослого - 2...3 мг, т.е. в 4...6 раз меньше.

Большую часть необходимого ему калия человек получает из пищи растительного происхождения. Недостаток калия оказывается на разных системах и органах, а также на обмене веществ.

Видимо, не очень преувеличивал Александр Евгеньевич Ферсман, написавший в одной из своих книг: "калий - основа жизни".

Встреча с калием?

Если на складе или на товарной станции вы увидите стальные ящики с надписями: "Огнеопасно!", "От воды взрывается", то весьма вероятно, что вы встретились с калием.

Много предосторожностей предпринимают при перевозке этого металла. Поэтому, вскрыв стальной ящик, вы не увидите калия, а увидите тщательно запаянные стальные банки. В них - калий и инертный газ - единственная безопасная для калия среда. Большие партии калия перевозят в герметических контейнерах под давлением инертного газа, равным 1,5 атм.

Зачем нужен металлический калий?

Металлический калий используют как катализатор в производстве некоторых видов синтетического каучука, а также в лабораторной практике. В последнее время основным применением этого металла стало производство перекиси калия К₂О₂, используемой для регенерации кислорода. Сплав калия с натрием служит теплоносителем в атомных реакторах, а в производстве титана - восстановителем.

Из соли и щелочи

Получают калий чаще всего в обменной реакции расплавленных едкого кали и металлического натрия: KOH + Na → NaOH + К. Процесс идет в ректификационной колонне из никеля при температуре 380...440°C. Подобным образом получают элемент №19 и из хлористого калия, только в этом случае температура процесса выше - 760...800°C. При такой температуре и натрий, и калий превращаются в пар, а хлористый калий (с добавками) плавится. Пары натрия пропускают через расплавленную соль и конденсируют полученные пары калия. Этим же способом получают и сплавы натрия с калием. Состав сплава в большой мере зависит от условий процесса.

Как быть если...

Вы впервые имеете дело с металлическим калием.

Необходимо помнить о высочайшей реакционной способности этого металла, о том, что калий воспламеняется от малейших следов воды. Работать с калием обязательно в резиновых перчатках и защитных очках, а лучше - в маске, закрывающей все лицо. С большими количествами калия работают в специальных камерах, заполненных азотом или аргоном. (Разумеется, в специальных скафандрах)

А если калий все-таки воспламенился, его тушат не водой, а содой или поваренной солью.

Есть ли в растворе ионы калия?

Выяснить это несложно. Проволочное колечко опустите в раствор, а затем внесите в пламя газовой горелки. Если калий есть, пламя окрасится в фиолетовый цвет, правда, не в такой яркий, как желтый цвет, придаваемый пламени соединениями натрия.

Сложнее определить, сколько калия в растворе. Нерастворимых в воде соединений у этого металла немного. Обычно калий осаждают в виде перхлората - соли очень сильной хлорной кислоты HClО₄. Кстати, перхлорат калия - очень сильный окислитель и в этом качестве применяется в производстве некоторых взрывчатых веществ и ракетных топлив.

Для чего нужен цианистый калий?

Для извлечения золота и серебра из руд. Для гальванического золочения и серебрения неблагородных металлов. Для получения многих органических веществ. Для азотирования стали - это придает ее поверхности большую прочность.

К сожалению, это очень нужное вещество чрезвычайно ядовито. А выглядит KCN вполне безобидно: мелкие кристаллы белого цвета с коричневатым или серым оттенком.

Что такое хромпик?

Точнее - хромпик калиевый. Это оранжевые кристаллы состава К₂Сr₂О₇. Хромпик используют в производстве красителей, а его растворы - для "хромового" дубления кож, а также в качестве протравы при окраске и печатании тканей. Раствор хромпика в серной кислоте - хромовая смесь, которую во всех лабораториях применяют для мытья стеклянной посуды.

Зачем нужно едкое кали?

В самом деле, зачем? Ведь свойства этой щелочи и более дешевого едкого натра практически одинаковы. Разницу между этими веществами химики обнаружили лишь в XVIII в. Самое заметное различие между NaOH и KOH в том, что едкое кали в воде растворяется еще лучше, чем едкий натр. KOH получают электролизом растворов хлористого калия. Чтобы примесь хлоридов была минимальной, используют ртутные катоды. А нужно это вещество прежде всего как исходный продукт для получения различных солей калия. Кроме того, без едкого кали не обойтись в производстве жидких мыл, некоторых красителей и органических соединении. Раствор едкого кали используется в качестве электролита в щелочных аккумуляторах.

Селитра или селитры?

Правильнее - селитры. Это общее название азотнокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Если же говорят просто "селитра" (не "натриевая" или "кальциевая" или "аммиачная", а просто - "селитра"), то имеют в виду нитрат калия. Этим веществом человечество пользуется уже больше тысячи лет - для получения черного пороха. Кроме того, селитра - первое двойное удобрение: из трех важнейших для растений элементов в ней есть два - азот и калий. Вот как описал селитру Д.И. Менделеев в "Основах химии":

"Селитра представляет бесцветную соль, имеющую особый прохладительный вкус. Она легко кристаллизуется длинными, по бокам бороздчатыми, ромбическими, шестигранными призмами, оканчивающимися такими же пирамидами. Ее кристаллы (уд. вес 1,93) не содержат воды. При слабом накаливании (339°) селитра плавится в совершенно бесцветную жидкость. При обыкновенной температуре в твердом виде КNO₃ малодеятельная и неизменна, но при возвышенной температуре она действует как весьма сильное окисляющее средство, потому что может отдать смешанным с нею веществам значительное количество кислорода. Брошенная на раскаленный уголь селитра производит быстрое его горение, а механическая смесь ее с измельченным углем загорается от прикосновения с накаленным телом и продолжает сама собою гореть. При этом выделяется азот, а кислород селитры идет на окисление угля, вследствие чего и получаются углекалиевая соль (Имеется в виду поташ) и углекислый газ...

В химической практике и технике селитра употребляется во многих случаях как окислительное средство, действующее при высокой температуре. На этом же основано применение ее для обыкновенного пороха, который есть механическая смесь мелко измельченных: серы, селитры и угля".

Где и для чего применяются прочие соли калия?

Бромистый калий KBr - в фотографии, чтобы предохранить негатив или отпечаток от вуали.

Йодистый калий KI - в медицине и как химический реактив. Фтористый калий KF - в составе металлургических флюсов и для введения фтора в органические соединения.

Углекислый калий (поташ) К₂CO₃ - в стекольном и мыловаренном производствах, а так же кик удобрение.

Фосфаты калия, в частности К₄Р₂О₇ и К₅Р₃О₁₀, - как компоненты моющих средств.

Хлорат калия (бертолетова соль) КClO₃ - в спичечном производстве и пиротехнике.

Кремнефтористый калий K₂SiF₆ - как добавка к шихте при извлечении редкоземельных элементов из минералов.

Железистосинеродистый калий (желтая кровяная соль) K₄Fe (CN) ₆ · 3Н₂О - как протрава при крашении тканей и в фотографии.

Почему калий назвали калием?

Слово это арабского происхождения. По-арабски, "аль-кали" - зола растений. Впервые калии получен из едкого кали, а едкое кали - из поташа, выделенного из золы растений... Впрочем, в английском и других европейских языках сохранилось название potassium, данное калию его первооткрывателем X. Дэви. Как нетрудно догадаться, эта слово берет начало от слова "поташ".

В русскую химическую номенклатуру название "калий" введено в 1831 г. Г.И. Гессом.