Калий

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 1,32x10⁹ лет.

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.

Распространение 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 - карналлит KCIxMgCI₂x6H₂O 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).

Физические и химические. свойства. К. - серебряно-белый, очень лёгкий и мягкий металл (без труда режется ножом). Кристаллическая решётка К. объёмно-центрированная кубическая, а = 5,33 . Ат. радиус 2,36 , ионный радиус К⁺ 1,33 . Плотность 0,862 г/см³ (20 °C), t_пл 63,55 °C, t_kип 760 °C; коэффициент термического расширения 8,33x10^-5 (0-50 °C); теплопроводность при 21 °C 97,13 вт/(мxК) [0,232 кал/(смxсекx°C)]; удельная теплоёмкость (при 20 °C) 741,2 дж/(кгxК), т. е. 0,177 кал/(гx°C), удельное электросопротивление (при 20 °C) 7,118x10^-8 омxм; температурный коэффициент электросопротивления 5,8x10^-5 (20 °C). Твёрдость по Бринеллю 400 кн/м² (0,04 кгс/мм²).

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. 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 °C 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 °C) и KC₁₆ (при 360 °C). 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 (2K + 2H₂O = 2KOH + H₂), 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.

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 °C. Во втором - через расплавленную соль KCl пропускают пары Na при 760-800 °C: выделяющиеся пары К. конденсируют. Возможно также получение К. нагреванием выше 200 °C 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).

Лит.: Калий, в кн.: Краткая химическая энциклопедия, т. 2, М., 1963; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 3, М., 1970; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1963.

? С. А. Погодин.

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.

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.

Лит.: Капланский С. Я., Минеральный обмен, М. - Л., 1938; Вишняков С. И., Обмен макроэлементов у сельскохозяйственных животных, М., 1967; Сатклифф Дж.-Ф., Поглощение минеральных солей растениями, пер. с англ., М., 1964.

? И. А. Скульский.

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.