钾(Kalium),碱金属元素,位于元素周期表的第四周期IA族,化学符号为K,原子量是39.0983,
原子序数为19,是一种银白色软质金属固体。钾元素在地球上广泛存在,是人体中不可缺少的常量化学元素之一,它主要分布在人体的肌肉、皮肤和其它组织器官中对人体生命健康有重要意义。另外,钾也是农业中重要的肥料之一,是植物营养所必需的元素之一。并且,钾的
化学性质活泼,不可能以单质的形式存在于自然界,只能以盐或共生物的形式存在。并且钾的化合物在自然界中分布较广,分布在海洋、地壳、人体之中,具有重要的生物活性,也可以用作冶金、无机合成和有机合成中的还原剂。钾的盐类化合物用途非常广泛,钾盐可以用于制造化肥及肥皂。
发现历史
钾碱从草木灰的浸出液中可以得到,古代人类将草木灰放入水中搅拌,将溶有钾碱的
水溶液注入一口大锅中蒸发至干,剩下的残渣形成粉末状物质,该物质在英语中称为Potash,其意思是由pot(意为“锅”)和ash(意为“灰”)合起来形成的,可译作为“锅灰”,汉语一般译作“钾碱”。
1807年英国化学家戴维爵士(H.Davy)用电解熔融的钾碱K₂CO₃的方法制得金属钾。他
电解熔融钾碱时得到了带金属光泽的小球,其中一些形成后马上燃烧爆炸。由于钾出现在钾碱中,所以戴维赋予它一个具有阿拉丁发音的名称:Potassium(钾),意思是含在植物灰中。而德国人也从同一种物质的阿拉伯名称,派生出一个具有阿拉丁发音的名称来称呼这种新金属,那就是Kalium,因此钾的元素符号是K。即使在称它为potassium那些国家中,也同样使用K这个符号。
分布情况
钾是太阳系和地球的重要组成元素之一,在地球海水和地壳中,在其丰度在所有元素中排在第8位。钾在海水是常量元素,以钾离子的形式存在,浓度为0.39 g/L,约为钠的浓度的1/27。钾的地壳
丰度为2.60%,排第7位。世界钾盐储量的56.98%高度集中于加拿大、俄罗斯和白俄罗斯。全球钾盐资源十分丰富,以钾石盐和光卤石种类居多各种矿物中基本上都含有钾,比如重要的矿物有钾长石K[AlSi₃O₈],光卤石
氯化钾·MgCl₂·6H₂O,钾盐镁矾KCl·MgSO₄·3H₂O等。
钾是重要的亲生命元素,生命体中普遍富含钾元素,在植物
细胞中,钾离子是其生长发育必需的矿质元素。同样的,钾离子也是人体重要的
无机盐离子,正常人体内约含钾175 克,其中98%的钾储存于细胞液内,细胞中约含0.1
摩尔/升钾离子。成人每日钾的最小需要量为200毫克。含钾丰富的食物包括
乳制品、蔬菜、瘦肉、内脏、香蕉、
葡萄干等,含量较高的有马铃薯,
番薯。另外,
苹果、
梅果、西瓜、菠萝、
哈密瓜、香蕉和
柑橘含有丰富的钾。
理化性质
物理性质
钾是硬度较小的银白色固体,有良好的导电性导热性和
延展性,且密度小于水。钾的
基态电子构型为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹,根据该构型,钾原子只有一个
价电子且
原子半径较大,所以
金属键较弱,熔
沸点较低。由77.2%的钾和22.8%的钠组成的合金
熔点仅为260.7 K。由于钾和钠的
比热容很高,它们所形成的合金可用作
核反应堆的
冷却剂。
化学性质
常温下,钾的化学反应活泼,可以与
电负性较高的
非金属元素反应,可以和
氧气还有水反应,具有
可燃性与还原性。
钾与卤素的反应
钾与氧气的反应
钾在空气中燃烧,主要生成
超氧化物KO₂,KO₂为橙黄色:
钾与水反应
金属钾在水中迅速熔化成一小球,四处游动,发出嘶嘶的响声:
化合物
钾的化学性质活泼,在自然界中以化合物的形式存在。钾的化合物主要是氧化物、
氢氧化物、盐。
其中钾的氧化物主要是氧化物K₂O(淡黄色)、超氧化物KO₂(红色)、
臭氧化物KO₃(橘红色,不稳定)。
钾的氢氧化物:
氢氧化钾,性质和
氢氧化钠很相似,
强碱具有强烈腐蚀性,能腐蚀衣服、玻璃、陶瓷以及极为稳定的金属铂,并能严重烧伤皮肤,尤其是眼睛的角膜。
钾的盐类化合物:常见的有
卤化物、
硫酸盐、
碳酸根。
氯化钾是制取其他钾化合物的基本原料,也用来制取金属钾。
电解KCl水溶液可以得到KOH。根据在热水中NaCl的
溶解度较小,利用KCl和NaNO₃溶液使二者之间进行离子交换反应可得到KNO₃,KNO₃是重要的
氧化剂,可用来制造
发射药。大量的KCl和K₂SO₄用作肥料。
同位素
已知的钾同位素有28种,其中3种是天然存在的: ³⁹K(93.3%) ⁴ºK(0.0117%)和⁴¹K(6.7%)。(
括号内表示丰度)
自然产生的⁴ºK的半衰期为1.250×10⁹年,其分支衰变产物是⁴ºCa(89.25%)和⁴ºAr(11.55%)。⁴ºK-⁴ºCa-⁴ºAr系统(包括钾-法、氩-氩法等方法)在放射性定年上具有广泛的应用。另外,钾同位素在
风化作用研究和养分循环研究中被用作
示踪剂,因为钾是生命所必需的
宏量营养素⁴ºK存在于天然钾中(因此也存在于一些商业盐
替代品中),数量足够大,以至于这些替代品可以用作课堂演示的
放射源。⁴ºK是人体内含量最大的
放射性同位素。在健康的动物和人类中,⁴ºK是最大的放射性来源,甚至高于¹⁴C。
生理作用
人体
钾在身体内有在
细胞的
新陈代谢中起重要作用;帮助维持
渗透压和酸碱平衡的作用;对维护心脏的正常功能有重要作用,对所有
活细胞的功能都至关重要。人体缺钾或钾过量都对健康有影响,比如饮食中缺乏钾元素的摄入是导致
高血压的重要因素之一。
细胞新陈代谢
机体内糖、
蛋白质和能量代谢都必须有钾参加才能进行。钾在细胞内与氮的正常比值是2.7~3:1;磷酸腺系统(atpADP)能量释放过程也需有一定量的钾存在;钾在细胞内保持一定的浓度可保证细胞内酶的正常功能;细胞外钾的浓度与钠泵活动关系非常密切,细胞外钾浓度增高时可将Na⁻,K ⁺-atp酶激活,并在它
磷酸化(E₂-P)过程中结合细胞外钾,将钾带入细胞内。
维持细胞内外液渗透压和酸碱平衡
钾是细胞内液中主要
阳离子,全身约95%~97%的钾存在于细胞内液,细胞内外钾的比例是25~35:1。所以钾在保持细胞电活动、恒定细胞内外渗透压起着重要的作用。人体酸碱平衡依赖血液中
缓冲物质和肺肾的调节作用,肾脏对钾的排留也是这些调节作用的一部分。排钾量的多少取决于血钾浓度高低和血液中pH值的高低。当体内代谢使血液pH升高时,钾则从肾脏多量排出,血钾也向细胞内转移,从细胞内置换钠、氢入血,使pH值下降;当血液pH值下降时,钾发生与上述相反的变化,从细胞内入血,肾脏排钾也减少使血液pH值得以回升。
维持心肌功能的协调
高浓度钾对这些特性抑制,低浓度钾则使心肌细胞兴奋性增高,两种情况都会引起心率失常。心肌收缩过程中,
肌动蛋白、肌球蛋白和atp结合前,钾从细胞内适量移出,使细胞内钙量增加,在心肌收缩后钾又从细胞外移入细胞内。所以正常的钾量也是心肌正常收缩功能的必要条件。
钾代谢异常引起的疾病
钾代谢障碍主要有
低钾血症、
高钾血症、钾在体内分布失调的发作性麻痹等症状。当人体血钾浓度在3.5 mmol/L以下时则低血钾,因低血钾或缺钾引起的病为低钾血病。而体内总钾量增多称钾过多,
血清钾离子浓度超过5.5 mmol/L时血钾高,因血钾增高引起的是高钾血病。当钾离子在体内分布异常的钾离子代谢异常引起的病是低血钾型发作性麻痹,其主要临床特点是神经肌肉兴奋性、传导性发生障碍。
植物
钾离子主要存在于植物汁液之中,其主要功能与植物的新陈代谢有关。钾能够促进
光合作用;能明显地提高植物对氮的吸收和利用;有助于作物的抗逆性,增强细胞对环境条件的调节作用;促进植株茎秆健壮,改善果实品质,增强植株抗寒能力。
制备方法
可直接从矿物中提取。
工业上采用金属置换法,在850 °C以上用
钠还原
氯化钾得到金属钾:
由于钾的沸点比钠的沸点低,钾比钠更容易
汽化。随着钾蒸汽的不断逸出,平衡不断向右移动,可以得到含少量钠的金属钾,再经过
蒸馏可得到纯度为99%~99.99%钾。
另外,还可以用热还原法,用碳将
碳酸钾中的钾还原成金属钾:
应用领域
肥料
钾离子是植物营养的重要组成成分,因此含钾的盐类化合物是农业、园艺、水培栽培肥料的重要部分。氯化钾是世界上最主要的
钾肥品种,约占全球钾肥销售总量的95%以上,其中50%直接施用,其余主要用来制造混合肥料。氯化钾可作基肥和追肥施用,少数对氯敏感的作物一般不宜施用,氯化钾一般也不用作根处追肥。
硫酸钾可直接施用,也可用作复混肥料的配料,可以用作基肥、追肥、种肥和根外追肥等均可,作根外追肥的浓度为2%~3%,适用于各种土壤,但是酸性土壤长期施用硫酸钾容易导致土地酸化。
硝酸钾是一种不含氯的氮钾二元化成复合肥料,宜作追肥、浸种肥和根外追肥,不宜作基肥。
医疗
氯化钾在医学上主要作为补钾制剂,用作治疗和预防低血钾的药物,氯化钾注射液和氯化钾片可以通过静脉缓慢注射或口服给药。
食品添加剂
许多钾的化合物可用作食品添加剂。食品添加剂
酒石酸钾钠是
泡打粉的主要成分。
山梨酸钾被用作食品
防腐剂,在面制品、
酱菜、罐头、
乳制品中允许使用的浓度为 0.02%~0.1%。
苯甲酸钠被用作食品防腐剂,例如在
碳酸饮料和酒制造中。
工业
工业主要的钾
物质有氢氧化钾、碳酸钾、硫酸钾和氯化钾。氢氧化钾(
氢氧化钾)是一种
强碱,在工业上用于中和
强酸和
弱酸,控制pH值和制造
钾盐。硝酸钾(KNO₃)或
硝石是
发射药中的
氧化剂。
氰化钾(KCN)在工业上被用于溶解铜和贵金属,特别是银和金,通过形成
配位化合物。它的应用包括
金矿开采、
电镀和这些金属的电铸;它也被用于
有机合成,以制造。碳酸钾(K₂CO₃)用于制造玻璃、肥皂、彩电管、荧光灯、纺织染料和颜料。
高锰酸钾(KMnO₄)是一种氧化、漂白和净化物质,用于生产
糖精。
溴化钾(KBr)以前被用作镇静剂和摄影。
碘化钾用于感光乳剂和彩色照片媒染剂的配制,用于制备甲状腺肿防治剂。
安全事宜
存储与运输
钾
化学性质活泼,极易氧化为自燃物品,在储存过程中,钾会形成
过氧化物和超氧化物。这些过氧化物可能与
有机化合物如油发生剧烈反应。过氧化物和超氧化物都可能与金属钾发生爆炸反应。而且钾又会和水发生反应,所以通常储存在无水
矿物油或
煤油中。在储存和运输时,应注意保持库房通风低温干燥,并与氧化剂分开存放。钾在油中储存的时间不应超过6个月,除非是在惰性(无氧)气氛中,或在真空中。在空气中长期储存后,过氧化物会在金属上和容器盖下形成,并在打开时爆炸。
消防安全
健康安全
摄入大量钾化合物可导致
高钾血症,强烈影响心血管系统。当体内血钾过少,钾在细胞内外分布异常,会导致
低钾血症。