Калий-активный щелочной металл

Содержание.
1. Глава 1 Введение.
2. Глава 2 История открытия элемента.
3. Глава 3 Особенности строения атома калия.
4. Глава 4 Нахождение калия в природе.
5. Глава 5 Свойства простого вещества и соединений калия.
5.1 Физические свойства.
5.2 Химические свойства простого вещества калия.
5.3 Получение и применение.
6. Глава 6 Калий в организме.
6.1 Основные функции калия в организме.
1
Глава 1 Введение.
Среди всех химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева
калий как химический элемент занимает особое место в жизни окружающего
мира, особенно растений. Калий усиливает передвижение сахаров из листьев в другие органы растения, участвует в образовании белковых веществ.
Увеличивая содержание белков и углеводов, калий улучшает древесину,
вызревание и зимостойкость, благодаря накоплению сахаров в клеточном
соке, понижается его температура замерзания. Растения при недостатке калия
легко поражаются грибковыми и бактериальными болезнями. Признаки
калийного голодания; листья преждевременно желтеют, начиная с краев, в
дальнейшем края и верх их приобретают бурую окраску и отмирают, края
листьев загибаются книзу. Ионы калия участвуют в генерации и проведении
биоэлектрических потенциалов в нервах и мышцах, в регуляции сокращений
сердца и др. мышц, поддерживают осмотического давление и гидратацию
коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм калия
тесно связан с углеводным обменом; ионы калия. влияют на синтез белков.
К+ в большинстве случаев нельзя заменить на Na+. Клетки избирательно
концентрируют К+. Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение
проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу К+ из
клеток, часто в обмен на Na+. Поэтому я выбрала тему для изучения:
«Особенности строения и свойств калия как биогенного элемента»
Цель - изучить особенности строения атома, соединений данного
химического элемента как важнейшего компонента планеты Земля.
Определив для себя следующие задачи:





Изучить историю открытия элемента
Определить особенности строения атома
Нахождение в природе
Свойства простого и сложных веществ атомов элемента
Калий – биогенный элемент
2
Глава 2 История открытия элемента.
Историческая справка. Некоторые соединения К. (например, поташ,
добывавшийся из древесной золы) были известны уже в древности; однако
их не отличали от соединений натрия. Только в 18 в. было показано различие
между «растительной щёлочью» (поташем K2CO3) и «минеральной
щёлочью» (содой Na2CO3). В 1807 Г. Дэви электролизом слегка увлажнённых
твёрдых едких кали и натра (KOH и NaOH) выделил К. и натрий и назвал их
потассием и содием. В 1809 Л. В. Гильберт предложил название «калий» (от
араб. аль-кали — поташ) и «натроний» (от араб. натрун — природная сода);
последнее И. Я. Берцелиус в 1811 изменил на «натрий». Название «потассий»
и «содий» сохранились в Великобритании, США, Франции и некоторых др.
странах. В России эти названия в 1840-х гг. были заменены на «калий» и
«натрий», принятые в Германии, Австрии и Скандинавских странах. Калий активный щелочной металл. Калий был открыт Дэви. Дэви первооткрыватель
назвал полученный химический элемент потассием. Но это название почемуто в среде химиков не прижилось. А название "калий" было дано
Гильбертом. Он был популярен в среде ученых. Поташ в средние века
получали из золы сгоревших деревьев. Эту золу вываривали в огромных
котлах. Из поташа получали селитру, шедшую в больших количествах для
приготовления пороха. В России были так называемые передвижные заводы,
на которых и производилась селитра.
3
Глава 3 Особенности строения атома калия.
Калий, К. химический элемент 1 группы периодической системы
Менделеева; атомный номер 19, атомная масса 39,098; серебряно-белый,
очень лёгкий, мягкий и легкоплавкий металл. Элемент состоит из двух
стабильных изотопов — 39K (93,08%), 41K (6,91%) и одного слабо
радиоактивного 40K (0,01%) с периодом полураспада 1,32;109 лет.
Конфигурация внешней электронной оболочки атома К. 4s1 в соответствии с
чем его валентность в соединениях постоянно равна 1. Единственный
валентный электрон атома К. более удалён от его ядра, чем валентные
электроны лития и натрия, поэтому химическая активность К. выше, чем
этих двух металлов.
4
Глава 4. Нахождение калия в природе.
К. — распространённый элемент: содержание в литосфере 2,50% по массе. В
магматических процессах К., как и натрий, накапливается в кислых магмах,
из которых кристаллизуются граниты и др. породы (среднее содержание К.
3,34%). К. входит в состав полевых шпатов и слюд. В основных и
ультраосновных породах, богатых железом и магнием, К. мало. На земной
поверхности К., в отличие от натрия, мигрирует слабо. При выветривании
горных пород К. частично переходит в воды, но оттуда его быстро
захватывают организмы и поглощают глины, поэтому воды рек бедны К. и в
океан его поступает много меньше, чем натрия. В океане К. поглощается
организмами и донными илами (например, входит в состав глауконита);
поэтому океанические воды содержат лишь 0,038% К. — в 25 раз меньше,
чем натрия. В прошлые геологические эпохи, особенно в пермском периоде
(около 200 млн. лет назад) на поздних стадиях испарения морской воды в
лагунах, после осаждения NaCl, кристаллизовались соли К. и магния —
2
2O и др. (Соликамское месторождение в,
Штасфуртское в и т.д.; см. Калийные соли). В большинстве почв
растворимых соединений К. мало, и культурные растения нуждаются в
калийных удобрениях.
KCl • NaCl – сильвинит
KCl • MgCl2 • 6H2O – карналлит
K2O • Al2O3 • 6SiO2 – полевой шпат (ортоклаз)
Радиоактивный изотоп 40K — важный источник глубинного тепла, особенно
в прошлые эпохи, когда этого изотопа было больше. При распаде 40K
образуются 40Ca и аргон 40Ar, уходящий в атмосферу. Некоторые минералы
К. не теряют аргона, и по его содержанию можно определить абсолютный
возраст горных пород (т. н. калий-аргоновый метод).
5
Глава 5. Свойства простого вещества и соединений калия.
Физические свойства.
К. — серебряно-белый, очень лёгкий и мягкий металл (без труда режется
ножом). Кристаллическая решётка К. объёмно-центрированная кубическая, а
= 5,33 Å. Ат. радиус 2,36 Å, ионный радиус К+ 1,33 Å. Плотность 0,862 г/см3
(20 °С), tпл 63,55 °С, tkип 760 °С; коэффициент термического расширения
-5
(0—50 °С); теплопроводность при 21 °С 97,13 вт [0,232 кал/(см;
сек; °С)]; удельная теплоёмкость (при 20 °С) 741,2 дж/(кг; К), т. е. 0,177
-8
кал/(г;
ом;м;
-5
(20 °С).
2
2
Твёрдость по Бринеллю 400 кн/м (0,04 кгс/мм ).
6
Химические свойства простого вещества калия.
На воздухе, особенно влажном, К. быстро окисляется, вследствие чего его
хранят в бензине, керосине или минеральном масле. При комнатной
температуре К. реагирует с галогенами; при слабом нагревании соединяется с
серой, при более сильном — с селеном и теллуром. При нагревании выше
200 °С в атмосфере водорода К. образует гидрид KH,
самовоспламеняющийся на воздухе. Азот и К. не взаимодействуют даже при
нагревании под давлением, но под влиянием электрического разряда эти
элементы образуют азид К. KN3 и нитрид К. K3N. При нагревании К. с
графитом получаются карбиды KC8 (при 300 °С) и KC16 (при 360 °С). В
сухом воздухе (или кислороде) К. образует желтовато-белую окись K2O и
оранжевую перекись KO2 (известны также перекиси K2O2 и K2O3,
получаемые действием кислорода на раствор К. в жидком аммиаке).
К. весьма энергично, иногда со взрывом реагирует с водой, выделяя
водород, а также с водными растворами кислот, образуя соли. В аммиаке К.
медленно растворяется; полученный синий раствор — сильный
восстановитель. При нагревании К. отнимает кислород от окислов и солей
кислородных кислот с образованием K2O и свободных металлов (или их
окислов). К. со спиртами даёт алкоголяты, ускоряет полимеризацию
олефинов и диолефинов, с галогеналкилами и галогенарилами образует
калийалкилы и калийарилы. Присутствие К. легко определить по
фиолетовому окрашиванию пламени.
Калий, как и другие щелочные металлы, химически очень активен. Легко
взаимодействует с кислородом воздуха с образованием смеси,
преимущественно состоящей из пероксида К2О2 и супероксида KO2 (К2О4):
2K + O2 = K2O2, K + O2 = KO2.
При нагревании на воздухе калий сгорает фиолетово-красным пламенем. С
водой и разбавленными кислотами калий взаимодействует с взрывом
(воспламеняется образующийся водород (H):
2K + 2H2O = 2KOH + H2
Кислородсодержащие кислоты при таком взаимодействии могут
восстанавливаться. Например, атом серной кислоты восстанавливается до S,
SO2 или S2–:
8К + 4Н2SO4 = K2S + 3K2SO4 + 4H2O.
При нагревании до 200-300°C калий реагирует с водородом (H) с
образованием солеподобного гидрида КН:
7
2K + H2 = 2KH
С галогенами калий взаимодействует с взрывом. Интересно отметить, что с
азотом (N) калий не взаимодействует.
Как и другие щелочные металлы, калий легко растворяется в жидком
аммиаке с образованием голубых растворов. В таком состоянии калий
используют для проведения некоторых реакций. При хранении калий
медленно реагирует с аммиаком с образованием амида KNH2:
2K + 2NH3 жидк. = 2KNH2 + H2
8
Получение и применение.
В промышленности К. получают по обменным реакциям между
металлическим натрием и KOH или же KCl, соответственно:
KOH + Na = NaOH + K
и
KCl + Na = NaCI + К.
В первом случае реакция идёт между расплавленной гидроокисью KOH и
жидким Na — противотоком в тарельчатой реакционной колонке из никеля
при 380—440 °С. Во втором — через расплавленную соль KCl пропускают
пары Na при 760—800 °С: выделяющиеся пары К. конденсируют. Возможно
также получение К. нагреванием выше 200 °С смесей хлорида К. с
алюминием (или кремнием) и известью. Получение К. электролизом
расплавленных KOH или KCl мало распространено вследствие низких
выходов К. по току и трудности обеспечения безопасности процесса.
Основное применение металлического К. — приготовление перекиси К.,
служащей для регенерации кислорода (в подводных лодках и др.). Сплавы
натрия с 40—90% К., сохраняющие жидкое состояние при комнатной
температуре, используются в ядерных реакторах как теплоносители, как
восстановители в производстве титана и как поглотители кислорода.
Сельское хозяйство — главный потребитель солей К. (см. Калийные
удобрения; о применении соединений К. см. в соответствующих статьях).
Свойства соединений калия
Типичные основные оксиды.
Реагируют с водой, кислотными оксидами и кислотами:
K2O + 2HNO3  2KNO3 + H2O
Надпероксид калия KO2
Получение:
K + O2  KO2
Химические свойства.
1. Сильный окислитель:
4KO2 + 2CO2  2K2CO3 + 3O2
9
2. Разлагается водой:
2KO2 + 2H2O  2KOH + H2O2 + O2
KO2 + 3K  2K2O
Гидроксиды щелочных металлов – КOH
Белые, кристаллические вещества, гигроскопичны; хорошо растворимы в
воде (с выделением тепла). В водных растворах нацело диссоциированы.
Получение:
1.Электролиз растворов хлоридов:
2КCl + 2H2O  2КOH + H2
Cl2
катод: 2H+ + 2ē  H02
анод: 2Cl- – 2ē  Cl02
2. Обменные реакции между солью и основанием:
K2CO3 + Ca(OH)2  CaCO3 + 2KOH
10
Глава 6. Калий в организме.
К. — один из биогенных элементов, постоянная составная часть растений и
животных. Суточная потребность в К. у взрослого человека (2—3 г)
покрывается за счёт мяса и растительных продуктов; у грудных детей
потребность в К. (30 мг/кг) полностью покрывается грудным молоком, в
котором 60—70 мг% К. Многие морские организмы извлекают К. из воды.
Растения получают К. из почвы. У животных содержание К. составляет в
среднем 2,4 г/кг. В отличие от натрия, К. сосредоточен главным образом в
клетках, во внеклеточной среде его много меньше. В клетке К. распределён
неравномерно.
Растения, нормально обеспеченные калием, лучше удерживают воду, и
листья не так быстро вянут при краткосрочных засухах. Калий вместе с
фосфорным удобрением отлично влияет на обильное цветение роз и окраску
цветов. Калий потребляется розами в большом количестве в период цветения
и для вызревания древесины к зиме.
Калийные удобрения способствуют
росту роз, их хорошо применять во время заложения и развития цветковых
почек и при появлении бутонов. Но переудобренные розы жируют, позднее
зацветают, неразвившиеся бутоны отмирают, и срезанные цветы мало стоят в
воде. Калийные удобрения хорошо применять вместе с азотными и
фосфорными. Надо знать, что калийные удобрения быстро вымываются
водой.
Выделяется К. из организма главным образом с мочой. Содержание К. в
крови и тканях позвоночных регулируется гормонами надпочечников —
кортикостероидами. В растениях К. распределяется неравномерно: в
вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много
К. в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах
(20—30 г/кг сухого вещества). При недостатке К. в почвах замедляется рост
растений, повышается заболеваемость. Норма калийных удобрений зависит
от типа с.-х. культуры и почвы.
В биосфере микроэлементы Rb и Cs сопутствуют К. Ионы Li+ и Na+ —
антагонисты К+, поэтому важны не только абсолютные концентрации К+ и
Na+, но и оптимальные соотношения K+/Na+ в клетках и среде. Естественная
радиоактивность организмов (гамма-излучение) почти на 90% обусловлена
присутствием в тканях естественного радиоизотопа 40K.
11
Основные функции калия в организме.
 поддержание постоянства состава клеточной и межклеточной
жидкости;
 поддержание кислотно-щелочного равновесия;
 обеспечение межклеточных контактов;
 обеспечение биоэлектрической активности клеток;
 поддержание нервно-мышечной возбудимости и проводимости;
 участие в нервной регуляции сердечных сокращений;
 поддержание водно-солевого баланса, осмотического давления;
 роль катализатора при обмене углеводов и белков;
 поддержание нормального уровня кровяного давления;
 участие в обеспечении выделительной функции почек.
Существенной функцией калия является его участие в регуляции
возбудимости мышц, прежде всего сердечной мышцы. Калию свойственна
способность, разрыхлять клеточные оболочки, делая их проницаемыми для
прохождения солей. Калий поддерживает осмотическое давление в крови. Он
необходим для ясности ума, избавления от шлаков, лечения аллергии. Калий
- важный клеточный элемент, в отличие от натрия, он не способствует
задержке воды в организме и оказывает диуретическое действие,
препятствует развитию соль - индуцированной артериальной гипертензии.
Калий принимает участие в транспортировке различных веществ в клетку,
обеспечивая этим ее функционирование. Калий участвует в регуляции
кислотно-щелочного равновесия в крови и других органах. Он участвует в
активации ферментов и синтезе коллагена.
Общее содержание калия в организме человека составляет примерно 250г.
Суточная потребность в калии составляет 1,5-2 г.
Недостаток Калия проявляется: замедлением роста организма и
нарушением половых функций, возникновением судорожных сокращений
скелетных мышц, снижению сократимости сердечной мышцы и нарушению
ритма сердечной деятельности (сердечная аритмия).
При недостаточном поступлении калия, организм может в течение
некоторого времени восполнять создавшийся дефицит путем мобилизации
его из тканевых депо. Тканевым депо для калия являются мышцы.
Калий содержится в: мясе и субпродуктах, смородине черной, овсяной
крупе, черносливе, арбузе, кукурузе, тыкве, бобовых, пшенной крупе,
петрушке, изюме, цитрусовых, пшеничных отрубях, пивных дрожжах,
перловой крупе, томатах, картофеле, листьях мяты, гречневой крупе,
бананах, рисе, моркови , орехах (грецкий, фундук), топинамбуре, абрикосе,
капусте, вишне, сливе, твороге, чернике, рябине, укропе, тыкве, свекле,
бруснике, шиповнике, зверобое, землянике, калине, облепихе, крапиве.
12
13