Химический элемент калий

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.

1. Калий

(Kalium), 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.

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.

2. Распространение в природе

Калий – 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 – карналлит KCI×MgCI₂×6H₂O и др. (Соликамское месторождение в СССР, Штасфуртское в ГДР и т.д.; см. Калийные соли). В большинстве почв растворимых соединений К. мало, и культурные растения нуждаются в калийных удобрениях.

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).

Своеобразен геохимический цикл калия – одного из. химических элементов, составляющих 99,9% массы земной коры. Его кларк равен 2,50%, а геохимический цикл складывается из разнообразных процессов, протекающих в земной коре, интенсивного биологического круговорота и несколько ограниченной водной миграции с суши в океан. Кларк калия в каменных метеоритах 0,085%, в веществе верхней мантии еще меньше – 0,03%, в магматических породах основного состава (базальтах) – 0,81%, в породах, богатых кремнием (гранитах), – 3,34%. Таким образом, очевидна постепенная концентрация этого элемента от вещества мантии к верхней части земной коры. По-видимому, калий вместе с другими щелочными и щелочноземельными элементами, алюминием и кремнием выплавлялся из вещества мантии и накапливался в земной коре. Калий принимает активное участие в магматическом процессе, его основная масса включается в твердое вещество на последних стадиях кристаллизации. Он входит в состав самых распространенных глубинных силикатов. В зоне выветривания при перестройке кристаллохимических структур силикатов большая часть калия остается в составе новых минералов и лишь частично переходит в растворимое состояние.

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.

Ионы К. 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 К. тесно связан с углеводным обменом; ионы К. 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⁺. 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.

В медицине с лечебными целями применяют ацетат CH₃COOK как мочегонное (чаще против отёков, вызванных сердечной недостаточностью) и хлорид KCl в случае недостаточности К. в организме (развивается при лечении некоторыми гормональными препаратами, наперстянкой, при большой потере жидкости с рвотой и поносом, при применении некоторых мочегонных средств и др.). Перхлорат KClO₄ тормозит продукцию тироксина (гормона щитовидной железы) и применяется при тиреотоксикозе. Перманганат калия KMnO₄ (марганцовокислый калий) используют как антисептическое средство.

Полевые шпаты, группа наиболее распространённых породообразующих минералов, составляющих более 50% земных и лунных горных пород и входящих в метеориты. Состав П. ш. определяется в основном соотношением компонентов в тройной системе: NaAISi₃O₈ – KAISi₃O₈ – CaAl₂Si₂O₈, т.е. это алюмосиликаты Na, К, Са (с примесью Ba, Sr, Pb, Fe, Li, Rb, Cs, Eu, Ce и др.). Основой структуры всех П. ш. являются трёхмерный каркас, состоящий из тетраэдрических групп (Al, Si) O₄, в которых от одной трети до половины атомов Si замещено Al. В крупных пустотах этого каркаса располагаются одновалентные катионы К⁺ и Na⁺ (при отношении Al: Si = 1:3) или двухвалентные катионы Ca²⁺ и Ba²⁺ (при Al:Si = 1:2).

В группе П. ш. выделяются две серии твёрдых растворов: KAISi₃O₈ – NaAISi₃O₈ (калинатровые, или щелочные, П. ш. и NaAISi₃O₀ – CaAI₂Si₂O₈ – плагиоклазы). Редко встречаются бариевые П. ш. BaAI₂Si₂O₈ – цельзиан и твёрдые растворы KAISi₃O₀ – BaAl₂Si₂O₈ – гиалофан (до 10–30% Ba).

Большое число разновидностей П. ш. обусловлено сложными соотношениями состава [главных компонентов и примесей], упорядоченности распределения Al и Si по структурным положениям, распада твёрдых растворов, субмикроскопического двойникования.

Среди существенно калиевых П. ш. различают санидин, имеющий моноклинную симметрию, с неупорядоченным распределением Si и Al, максимальный микроклин (триклинный) с полностью упорядоченным распределением Si и Al, промежуточные микроклины и ортоклаз (предположительно, псевдомоноклинный), состоящий из субмикроскопически сдвойникованных триклинных доменов.

Высокотемпературные калинатровые П. ш. являются неупорядоченными и образуют непрерывную серию твёрдых растворов; низкотемпературные претерпевают распад с образованием пертитов – закономерных прорастаний микроклина или ортоклаза и натрового П. ш. – альбита. Все разновидности плагиоклазов бывают высокотемпературными (неупорядоченными в отношении распределения алюминия и кремния), низкотемпературными (упорядоченными) и промежуточными.

Изменения степени упорядоченности и состава плагиоклазов проявляются при сохранении триклинной симметрии в весьма сложных изменениях структуры и в образовании двух областей чрезвычайно тонкой несмесимости – в ряду олигоклазов илабрадоров, сопровождающемся иризацией.

Точные определения состава и структурного состояния (упорядоченности) П. ш. проводятся с помощью диаграмм оптической ориентировки, углов оптических осей и др., измеряемых на Федорова столике, а также рентгенографическими (дифрактометрическими) методами.

Плагиоклазы и микроклины почти всегда полисинтетически сдвойникованы, т.е. образуют микроскопические срастания многих индивидов по различным характерным двойниковым законам.

Таблитчатый или призматический облик П. ш. в горных породах определяется хорошо развитыми гранями {010} и {001}, по которым образуется совершенная спайность под прямым или близким к нему углом, и гранями {110}. Твёрдость П. ш. по минералогической шкале 6–6,5; плотность 2500–2800 кг/м³ П. ш. сами по себе бесцветны: различную окраску (серую, розовую, красную, зелёную, чёрную и др.) им придают мельчайшие включения гематита, гидроокислов железа, роговой обманки, пироксена и др.; окраску амазонита – сине-зелёного или зелёного микроклина – связывают с электронным центром Pb, замещающим К. В спектрах люминесценции П. ш. различаются полосы Pb²⁺, Fe³⁺, Ce³⁺, Eu²⁺. По спектрам электронного парамагнитного резонанса в П. ш. устанавливаются электронные центры Ti³⁺ и дырочные центры Al–O^-–Al, образующиеся в результате захвата дефектами решётки соответственно электрона или дырки.

П. ш. служат основой классификации горных пород. Важнейшие типы горных пород сложены в основном П. ш.: интрузивные – граниты, сиениты (щелочные П. ш. и плагиоклазы), габбро, диориты (плагиоклазы); эффузивные – андезиты, базальты; метаморфические – гнейсы, кристаллические сланцы, контактно- и регионально-метаморфизованные породы, пегматиты. В осадочных породах П. ш. встречаются в виде обломочных зёрен и новообразований (аутигенные П. ш.). В лунных породах (лунные базальты, габбро, анортозиты) отмечены только плагиоклазы.

Значение П. ш. определяется тем, что благодаря широким вариациям состава и свойств они используются при геологопетрографических исследованиях массивов магматических и метаморфических пород. Соотношение изотопов ⁴⁰K/⁴⁰Ar калинатровых П. ш. используется для определения абсолютного возраста горных пород.

Щелочные П. ш. пегматитов и маложелезистых пород применяются в керамической, стекольной, фарфоро-фаянсовой промышленности. Полевошпатовые породы (лабрадориты) служат облицовочным материалом. Амазонит, лунный камень (иризирующий олигоклаз) используются как поделочные камни.

Слюды, группа минералов – алюмосиликатов слоистой структуры с общей формулой R₁R_2-3 [AISi₃O₁₀] (OH, F)₂, где R₁ = К, Na; R₂ = Al, Mg, Fe, Li (см. Силикаты природные). Основной элемент структуры С. представлен трёхслойным пакетом из двух тетраэдрических слоев [AlSi₃O₁₀] с находящимся между ними октаэдрическим слоем, состоящим из катионов R₂. Два из шести атомов кислорода октаэдров замещены гидроксильными группами (ОН) или фтором. Пакеты связываются в непрерывную структуру через ионы К⁺ (или Na⁺) с координационным числом 12. По числу октаэдрических катионов в химической формуле различаются диоктаэдрические и триоктаэдрические С.: катионы Al⁺ занимают два из трёх октаэдров, оставляя один пустым, тогда как катионы Mg²⁺, Fe²⁺ и Li⁺ с Al⁺ занимают все октаэдры. С. кристаллизуются в моноклинной (псевдотригональной) системе. Относительное расположение шестиугольных ячеек поверхностей трёхслойных пакетов обусловлено их поворотами вокруг оси с на различные углы, кратные 60°, в сочетании со сдвигом вдоль осей а и в элементарной ячейки. Это определяет существование полиморфных модификаций (политипов) С., различаемых рентгенографически. Обычны политипы моноклинной симметрии.

По химическому составу выделяют следующие группы С. Алюминиевые С.:

мусковит KAl₂[AISi₃O₁₀] (OH)₂,

парагонит NaAl₂[CAISi₃O₁₀] (OH)₂,

магнезиально – железистые С.:

флогопит KMg₃[AISi₃O₁₀(OH. F)₂,

биотит K (Mg, Fe)₃ [AISi₃O₁₀] (OH, F)₂,

лепидомелан Kfe₃[AlSi₃O₁₀] (OH, F)₂;

литиевые:

лепидолит Kli_2-xAl_1+x [Al_2xSi_4-2xO₁₀] (OH. F)₂,

циннвальдит KLiFeAl [AISi₃O₁₀] (OH, F)₂

тайниолит KLiMg₂[Si₄O₁₀] (OH, F)₂.

Встречаются также ванадиевая С. – роскоэлит KV₂[AISi₃O₁₀] (OH)₂, хромовая С. – хромовый мусковит, или фуксит, и др. В С. широко проявляются изоморфные замещения: К⁺ замещается Na⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Rb⁺, Cs⁺ и др.; Mg²⁺ и Fe²⁺ октаэдрического слоя – Li⁺, Sc²⁺, Jn²⁺ и др.; Al³⁺ замещается V³⁺, Cr³⁺, Ti⁴⁺, Ga³⁺ и др. Наблюдаются совершенный изоморфизм между Mg²⁺ и Fe²⁺ (непрерывные твёрдые растворы флогопит – биотит) и ограниченный изоморфизм между Mg²⁺ – Li⁺ и Al³⁺–Li⁺, а также переменное соотношение окисного и закисного железа. В тетраэдрических слоях Si⁴⁺ может замещаться Al³⁺, а ионы Fe³⁺ могут замещать тетраэдрический Al³⁺; гидроксильная группа (OH) замещается фтором. С. часто содержат различные редкие элементы (Be, В, Sn, Nb, Ta, Ti, Mo, W, U, Th, Y, TR, Bi); часто эти элементы находятся в виде субмикроскопических минералов-примесей: колумбита, вольфрамита, касситерита, турмалина и др. При замене К⁺ на Ca²⁺ образуются минералы группы т. н. хрупких С. – маргарит CaAl₂[Si₂Al₂O₁₀] (OH)₂ и др., более твёрдые и менее упругие, чем собственно С. При замещении межслоевых катионов К⁺ на H₂O наблюдается переход к гидрослюдам, являющимся существенными компонентами глинистых минералов. Следствия слоистой структуры С. и слабой связи между пакетами: пластинчатый облик минералов, совершенная (базальная) спайность, способность расщепляться на чрезвычайно тонкие листочки, сохраняющие гибкость, упругость и прочность. Кристаллы С. могут быть сдвойникованы по «слюдяному закону» с плоскостью срастания (001); часто имеют псевдогексагональные очертания. Твёрдость по минералогической шкале 2,5–3; плотность 2770 кг/м³ (мусковит), 2200 кг/м³ (флогопит), 3300 кг/м³ (биотит). Мусковит и флогопит бесцветны и в тонких пластинках прозрачны; оттенки бурого, розового, зелёного цветов обусловлены примесями Fe²⁺, Мп²⁺, Cr²⁺ и др. Железистые С. – бурые, коричневые, тёмно-зелёные и чёрные в зависимости от содержания и соотношения Fe²⁺ и Fe³⁺. С. – один из наиболее распространённых породообразующих минералов интрузивных, метаморфических и осадочных горных пород, а также важное полезное ископаемое.

Различают 3 вида промышленных С.: листовая С.; мелкая С. и скрап (отходы от производства листовой С.); вспучивающаяся С. (например, вермикулит). Промышленные месторождения листовой С. (мусковит и флогопит) высокого качества редки. Промышленные требования к листовой С. сводятся к совершенству кристаллов и их размерам; к мелкой С. – чистота слюдяного материала. Крупные кристаллы мусковита встречаются в гранитных пегматитах (Мамско-Чуйский район Иркутской области, Чупино-Лоухский район Карельской АССР, Енско-Кольский район Мурманской обл. – в СССР, месторождения Индии, Бразилии, США). Месторождения флогопита приурочены к массивам ультраосновных и щелочных пород (Ковдорское на Кольском полуострове) или к глубоко метаморфизованным докембрийским породам первично карбонатного (доломитового) состава (Алданский слюдоносный район Якутской АССР, Слюдянский район на Байкале в СССР), а также к гнейсам (Канада и Малагасийская Республика). Мусковит и флогопит являются высококачественным электроизоляционным материалом, незаменимым в электро-, радио- и авиатехнике. Месторождения лепидолита, одного из основных промышленных минералов литиевых руд, связаны с гранитными пегматитами натрово-литиевого типа. В стекольной промышленности из лепидолита изготавливают специальные оптические стекла.

С. разрабатывается подземным или открытым способами с применением буровзрывных работ. Кристаллы С. выбирают из горной массы вручную.

Разработаны методы промышленного синтеза С. Большие листы, получаемые путём склеивания пластин С. (миканиты), используются как высококачественный электро- и теплоизоляционный материал. Из скрапа и мелкой С. получают молотую С., потребляемую в строительной, цементной, резиновой промышленности, при производстве красок, пластмасс и т.д. Особенно широко используется мелкая С. в США.

Похожие работы

Химические элементы в организме человека и животных

Скачать

31805

3

1

... ); ·     в поддержании кислотно-основного состояния и водно-солевого обмена; ·     в поддержании солевого состава крови и участии в структуре формирующих ее элементов. Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека химический элемент суточное потребление, мг взрослые дети K 2000 – 5500 530 Na 1100 – 3300 260 Ca 800 – 1200 420 Mg ...

Токсические химические элементы. Химизм действия

Скачать

86958

3

0

... . Накопление таллия с возрастом в костях, мозге и других тканях указывает на отсутствие эффективного механизма гомеостатического регулирования этого элемента у млекопитающих. Механизм токсического действия Таллий - высокотоксичный примесный элемент. Соединения таллия (3+) менее токсичны, чем соединения таллия (+1). Одним из наиболее достоверных механизмов токсичного действия таллия (+1) можно ...

Химические элементы

Скачать

91540

18

5

... до точки плавления, цинк опять становится хрупким – происходит очередная перестройка его кристаллической структуры. Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. Первый «вольтов столб» состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из элемента №30. Значительна роль этого элемента в полиграфии. Мы ...

Химические элементы в организме человека

Скачать

21419

0

0

... градиент концентрации ионов калия и натрия на границе клеток падает, а при наступление смерти выравнивается Микроэлементы.   К ним относится отмеченный выше ряд 22 химических элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них металлы, а из металлов основным является железо. ЖЕЛЕЗО   Несмотря на то, что содержание железа в человеке массой ...