Калий (химический элемент)

КАЛИЙ (латинский Kalium), К, химический элемент I гpyппы короткой формы (1-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 19; атомная масса 39,0983; относится к щелочным металлам. Природный калий состоит из трёх изотопов: ³⁹К (93,2581%), ⁴⁰К (0,0117%; слаборадиоактивный, Т_1/2 1,277·10⁹ лет, β-распад до ⁴⁰Са), ⁴¹К (6,7302%). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 32-54.

Историческая справка. Некоторые соединения калия были известны в древности, например калия карбонат К₂СО₃ (так называемая растительная щёлочь) выделяли из древесной золы и использовали при варке мыла. Металлический калий впервые получил Г. Дэви в 1807 электролизом влажного твёрдого гидроксида КОН и назвал потассием (английский potassium от английский potash - название карбоната калия). В 1809 году было предложено название «калий» (от арабского аль-кали - поташ). Название «потассий» сохранилось в Великобритании, США, Франции и других странах. В России с 1840 употребляют название «калий», принятое также в Германии, Австрии, Скандинавских странах.

Распространённость в природе. Содержание калия в земной коре составляет 2,6% по массе. В свободном состоянии калий в природе не встречается. В значительных количествах калий содержится в силикатах нефелине и лейците, полевых шпатах (например, в ортоклазе), слюдах (например, в мусковите). Собственные минералы калия - сильвин, сильвинит, карналлит, каинит, лангбейнит K₂SО₄∙2MgSО₄ образуют большие скопления природных калийных солей. В результате действия воды и диоксида углерода калий переходит в растворимые соединения, которые частично уносятся в моря, частично удерживаются почвой. Соли калия содержатся также в рапе соляных озёр и подземных рассолах.

Свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома калия 4s¹ ; в соединениях проявляет степень окисления +1; энергии ионизации К⁰→К⁺→К²⁺ соответственно равны 4,3407 и 31,8196 эВ; электроотрицательность по Полингу 0,82; атомный радиус 220 пм, радиус иона К⁺ 152 пм (координационное число 6).

Калий  - серебристо-белый мягкий металл; кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная; t_пл 63,38 °С, t_кип 759 °С, плотность 856 кг/м³ (20 °С); теплоёмкость 29,60 Дж/(моль·К) при 298 К.

Калий  поддаётся прессованию и прокатыванию, легко режется ножом и сохраняет пластичность при низких температурах; твёрдость по Бринеллю 0,4 мПа.

Калий  - металл высокой химической активности (калий хранят под слоем бензина, керосина или минерального масла). При нормальных условиях калий взаимодействует с кислородом (образуется оксид К₂О, пероксид К₂О₂, надпероксид КО₂ - основной продукт), галогенами (соответствующие калия галогениды), при нагревании - с серой (сульфид К₂S), селеном (селенид К₂Se), теллуром (теллурид К₂Те), с фосфором в атмосфере азота (фосфиды К₃Р и К₂Р5), углеродом (слоистые соединения состава КС₈ - КС₆₀), водородом (гидрид КН). С азотом калий взаимодействует только при воздействии электрического разряда (в небольшом количестве образуются азид KN₃ и нитрид К₃N). Калий  взаимодействует с некоторыми металлами, образуя интерметаллиды или твёрдые растворы (сплавы калия). Наибольшее практическое значение имеют сплавы с натрием, отличающиеся высокой химической активностью; получают сплавлением металлов в инертной атмосфере или при действии металлического натрия на гидроксид КОН или хлорид КСl.

Металлический калий - сильный восстановитель: энергично (при нормальных условиях - со взрывом и воспламенением металла) реагирует с водой (образуется калия гидроксид КОН), бурно (иногда со взрывом) реагирует с кислотами (образуются соответствующие соли, например калия дихромат, калия нитрат, калия перманганат, калия фосфаты, калия цианид), восстанавливает оксиды В, Si, Al, Ag, Bi, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sn, Ti до элементов; сульфаты, сульфиты, нитраты, нитриты, карбонаты и фосфаты других металлов - до оксидов соответствующих металлов. Металлический калий медленно растворяется в жидком аммиаке, при этом образуется тёмно-синий раствор с металлической проводимостью; растворённый металл постепенно реагирует с аммиаком с образованием амида: 2К +  2NH₃ = 2KNH₂ + Н₂. Калий  взаимодействует с различными органическими соединениями: спиртами (образуются алкоголяты, например этилат С₂Н₅ОК), ацетиленом (ацетилениды КС≡СН и КС≡СК), алкилгалогенидами (калийалкилы, например этилкалий С₂Н₅К) и арилгалогенидами (калийарилы, например фенилкалий С₆Н₅К). Металлический калий инициирует реакции полимеризации алкенов и диенов. С N- и О-донорными полициклическими лигандами (краун-эфирами, криптандами и другими ионофорами) калий образует комплексные соединения.

При работе с калием необходимо учитывать его высокую реакционную способность, в том числе способность загораться при контакте с водой. В целях безопасности необходимо использовать резиновые перчатки, защитные очки или маску. С большим количеством калия следует работать в специальных камерах, в инертной атмосфере (аргон, азот). Для тушения горящего калия применяют поваренную соль NaCl или кальцинированную соду Na₂СО₃.

Биологическая роль. Калий  относится к биогенным элементам. Суточная потребность человека в калии около 2 г. В живых организмах ионы калия играют важную роль в процессах регуляции обмена веществ, в частности, транспорта ионов через клеточные мембраны (смотри, например, в статье Ионные насосы).

Получение. В промышленности калий получают восстановлением расплавленного гидроксида КОН или хлорида КСl металлическим натрием в противоточной колонне с последующей конденсацией паров калия. Перспективны вакуум-термические способы получения калия, основанные на восстановлении хлорида КСl при нагревании смесью алюминия или кремния с оксидом кальция (6КСl + 2Al + 4СаО = 6К + ЗСаСl₂ + СаО·Аl₂О₃ или 4КСl + Si + 4СаО = 4К + 2CaCl₂ + 2CaО∙SiО₂), а также способ, основанный на получении сплава калия со свинцом электролизом карбоната К₂СО₃ или хлорида КСl с расплавленным свинцовым катодом и последующей отгонке из сплава калия. Объём мирового производства калия около 28 т/год (2004).

Применение. Металлический калий - материал электродов в химических источниках тока, катализатор в процессах получения синтетического каучука. Широко применяют различные соединения калия: пероксид К₂О₂ и надпероксид КО₂ - компоненты составов для регенерации кислорода (на подводных лодках, космических кораблях и в других закрытых помещениях), гидрид КН - восстановитель в химическом синтезе, сплав калия с натрием (10-60% Na по массе, жидкий при комнатной температуре) - теплоноситель в ядерных реакторах, восстановитель в производстве титана, реагент для очистки газов от кислорода и паров воды; соли калия используют в качестве калийных удобрений, компонентов моющих средств. Комплексы калия с ионофорами являются моделями для изучения транспорта ионов калия через клеточные мембраны. Радиоизотоп ⁴²К (Т_1/2 12,36 ч) применяют как радиоактивный индикатор в химии, медицине и биологии.

Лит.: Натрий и калий. Л., 1959; Степин Б. Д., Цветков А. А. Неорганическая химия. М., 1994; Неорганическая химия: химия элементов / Под редакцией Ю. Д. Третьякова. М., 2004. Т. 2.