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钾(金属元素)

钾(Potassium)是一种银白色的软质金属,蜡状,可用小刀切割,熔沸点低,密度比水小,化学性质极度活泼(比钠还活泼)。是ⅠA族的元素之一,属于碱金属。钾在自然界没有单质形态存在,钾元素以盐的形式广泛的分布于陆地和海洋中,也是人体肌肉组织和神经组织中的重要成分之一。

钾盐以硝石(硝酸钾,KNO3),明矾(十二水合硫酸铝钾,KAl(SO4)212H2O),还有草木灰(碳酸钾,K2CO3)的形式已经被认知了几个世纪。它们被用于火药,燃料和肥皂的制造。 [1] 把含钾物质还原为元素挫败了早期的化学家,而且钾被Antoine Lavoisier分类为“泥土”。由于钾的活动性很强,难以用常用的还原剂(如碳)从钾的化合物将金属钾还原出来。之后在1807年,汉弗莱戴维电解熔融氢氧化钾发现有金属小球形成,这就是钾。他注意到当把钾扔到水里时,钾会在水面上游动,并燃烧发出美丽的紫色的火焰。钾的名称来源于拉丁文Kalium,原意是“碱”。 [2] 拉丁文名称从阿拉伯文Qali借来的。 中国科学家在命名此元素时,因其活泼性在当时已知的金属中居首位,故用“金”字旁加上表示首位的“甲”字而造出“钾”这个字。

钾为银白色立方体结构金属,理化性质和钠非常相似。钾质软而轻可用小刀切割,新切面有银白色光泽。

钾的密度0.862g/cm3(293K),熔点336K(63℃),沸点1043K(770℃)。

钾是热和电的良导体,具有较好的导磁性,质量分数77.2%的钾和22.8%的钠形成的钾钠合金熔点只有12℃,是核反应堆导热剂。钾单质还具有良好的延展性,硬度也低,能够溶于汞和液态氨,溶于液氨形成蓝色溶液。

已发现的钾的同位素共有28种,包括从32K至55K,其中在自然界中存在的只有39K、40K和41K,其他同位素都是由人工制造。40K有放射性,是岩石和土壤中天然放射性本底的重要来源之一。 [1]

钾离子能使火焰呈紫色,可用焰色反应和火焰光度计检测。

钾的化学性质比钠还要活泼,仅比铯、铷活动性差。暴露在空气中,表面迅速覆盖一层氧化钾和碳酸钾,使它失去金属光泽(表面显蓝紫色),因此金属钾应保存在液体石蜡或氩气中以防止氧化。钾在空气中加热就会燃烧,它在有限量氧气中加热,生成氧化钾;在过量氧气中加热,生成过氧化钾和超氧化钾的混合物。金属钾溶于液氨生成深蓝色液体,可导电,实验证明其中含氨合电子,钾的液氨溶液久置或在铁的催化下会分解为氢气和氨基钾。钾的液氨溶液与氧气作用,生成超氧化钾,臭氧作用,生成橘红色的臭氧化钾。

钾与水剧烈反应,甚至在冰上也能着火,生成氢氧化钾和氢气,反应时放出的热量能使金属钾熔化,并引起钾和氢气燃烧。

钾与氢、硫、氟、氯、溴、碘都能化合,可与低元醇反应放出氢气。

钾还能与汞形成钾汞齐:K + Hg = K[Hg]。它是平和的还原剂,与水反应不剧烈。钾和汞作用时会发生强烈的放热反应。

钾的常见氧化态为+1,但是也可以形成-1价的化合物,即碱化物,如KH。

在高中化学范畴认为钾盐均溶于水,但实际上高氯酸钾、酒石酸氢钾、六氯铂酸钾、钴亚硝酸钠钾、四苯硼酸钾等溶解度均较小。 [1]

氧化钾

氧化钾化学式K2O,分子量94.2,密度2.32g/cm3。易潮解,易溶于水。为白色粉末,溶于水生成氢氧化钾,并放出大量热。在空气流中加热能被氧化成过氧化钾或超氧化钾,易吸收空气中的二氧化碳成为碳酸钾。

过氧化钾

过氧化钾,黄色无定形块状物,易潮解。加热分解,遇水放出氧气,遇酸生成过氧化氢,过氧化钾能吸收二氧化碳并放出氧气。是强氧化剂。可由氢氧化钾与过氧化氢反应制得。

超氧化钾

超氧化钾是一种一级氧化剂,在许多方面类似于第I族金属过氧化物。遇易燃物、有机物、还原剂等会引起燃烧甚至爆炸。遇水或水蒸汽产生大量热量,同样可能发生爆炸。吸湿性极强,与水激烈反应生成氧及可被进一步分解的碱性过氧化物溶液。

氢氧化钾

氢氧化钾,白色粉末或片状固体。具强碱性及腐蚀性,中等毒性。极易吸收空气中水分而潮解,吸收二氧化碳而成碳酸钾。溶于水,能溶于乙醇和甘油。当溶解于水、醇或用酸处理时产生大量热量。0.1mol/L溶液的pH为13.5。相对密度2.044。熔点380℃(无水)。

地壳

钾的化合物早就被人类利用,由于钾的化学性质极为活泼,所以钾在自然界中只以化合物形式存在。人们古代就知道草木灰中存在着钾草碱(即碳酸钾),可用作洗涤剂。硝酸钾也被用作黑火药的成分之一。钾在地壳中的含量为2.47%,占第七位。 可用来提取钾盐的矿物有钾盐矿(KCl)、光卤石(KClMgCl26H2O)、杂卤石(2CaSO4K2SO42H2O )。 分布极广的天然硅酸盐矿物中也含有钾,如钾长石K[AlSi3O8]。在云母、钾长石等硅酸盐中都富含钾。 [1]

海洋

在海水中以钾离子的形式存在,含量约为0.38g/kg。 [3] 钾在海水中含量比钠离子少的原因是由于被土壤和植物吸收多。在动植物体内也含有钾。除了氧、氢、氯、钠、镁、硫、钙之外 ,钾在海水中的含量最高。

人体

正常人体内约含钾175克,其中98%的钾以钾离子的形式贮存于细胞液内;血清中含钾3.5~5.5mmol/L。钾是细胞内最主要的阳离子之一。

生产金属钠用的是电解法,但在生产金属钾中却不能用此法,因为钾太容易溶解在熔化的KCl中,无法分离收集。金属钾的生产方法采用金属钠与氯化钾在高温下的反应:Na+KCl=K↑+NaCl。钾的沸点比钠低,不断地将钾的蒸气分离出去,就能使反应持续进行。用真空蒸馏法可将钾的纯度提高为99.99%。由于钾比钠贵, 在一般情况下都用钠代替钾,钾盐的用途就比较少,但由于钾盐的吸湿性弱于钠盐,所以分析化学中常用钾盐做标准试剂。 [1]

钾可以调节细胞内适宜的渗透压和体液的酸碱平衡,参与细胞内糖和蛋白质的代谢。有助于维持神经健康、心跳规律正常,可以预防中风,并协助肌肉正常收缩。在摄入高钠而导致高血压时,钾具有降血压作用。

参与糖、蛋白质和能量代谢:糖原合成时,需要钾与之一同进入细胞,糖原分解时,钾又从细胞内释出。蛋白质合成时每克氮约需钾3mmol,分解时,则释出钾。ATP形成时亦需要钾。

参与维持细胞内、外液的渗透压和酸碱平衡:钾是细胞内的主要阳离子,所以能维持细胞内液的渗透压。酸中毒时,由于肾脏排钾量减少,以及钾从细胞内向外移,所以血钾往往同时升高,碱中毒时,情况相反。

维持神经肌肉的兴奋性。

维持心肌功能:心肌细胞膜的电位变化主要动力之一是由于钾离子的细胞内、外转移。

人体钾缺乏可引起心跳不规律和加速、心电图异常、肌肉衰弱和烦躁,最后导致心跳停止。一般而言,身体健康的人,会自动将多余的钾排出体外。但肾病患者则要特别留意,避免摄取过量的钾。

在乳制品、水果、蔬菜、瘦肉、内脏、香蕉、葡萄干中都含有丰富的钾

人体缺钾的主要症状是:心跳过速且心率不齐,肌肉无力、麻木、易怒、恶心、呕吐、腹泻、低血压、精神错乱、以及心理冷淡。

钾能促进植株茎秆健壮,改善果实品质,增强植株抗寒能力,提高果实的糖分和维生素C的含量,和氮、磷的情况一样,缺钾症状首先出现于老叶。钾素供应不足时,碳水化合物代谢受到干扰,光合作用受抑制,而呼吸作用加强。因此,缺钾时植株抗逆能力减弱,易受病害侵袭,果实品质下降,着色不良。瓜、果、番茄等对钾肥的需求主要是在果实迅速膨大期。

钾肥一般是在基肥、冲施、追施、喷施和无图营养栽培时施入,果实膨大前期冲施、追施或叶面喷施0.5%磷酸二氢钾、硝酸钾、硫酸钾、氯化钾溶液。氯化钾不能用于瓜类和烟叶。

钾不足时,植株茎秆柔弱,易倒伏,抗寒性和抗旱性均差;叶片变黄,逐渐坏死。由于钾能移动到嫩叶,缺钾开始在较老的叶,后来发展到植株基部,也有叶缘枯焦,叶子弯卷或皱缩。

促进酶的活化。 生物体中有60多种酶需要钾离子作为活化剂。

促进光能的利用,增强光合作用。首先K+能保持叶绿体内类囊体膜的正常结构,缺K+时类囊体膜结构松散,影响光合作用的正常进行。同时又能促进类囊体膜上质子梯度的形成和光合磷酸化作用。

有利于植物正常的呼吸作用,改善能量代谢。

增强植株体内物质的合成和转运。比如,碳水化合物的合成与运转;增强蛋白质与核蛋白的合成;促进豆科植物根瘤菌的固氮作用。

增强植物的抗性。

增强抗冻性、抗旱、抗盐的能力;

增强植物对病虫害的抗性。试验表明,增施适量的钾肥,能有效地减少水稻的胡麻叶斑病、稻瘟病、纹枯病等;麦类的白粉病、赤霉病及小麦的锈病等等。

减少水稻受还原性物质的危害。 [1]

金属钾很活泼,需隔绝空气和水储存。一般把钾、钠储存在煤油和液体石蜡中。

储存库房应通风低温干燥;;与酸、氧化剂分开存放。

贮存和使用都要注意安全,由金属钾引起的火灾,不能用水或泡沫灭火剂扑灭,而要用碳酸钠干粉。钾也对皮肤有很强的腐蚀性。


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