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 1,32×10⁹ лет.

  Историческая справка. Некоторые соединения калия (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 калий 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. Калий — распространённый элемент: содержание в литосфере 2,50% по массе. В магматических процессах калий, как и натрий, накапливается в кислых магмах, из которых кристаллизуются граниты и др. породы (среднее содержание калия 3,34%). Калий входит в состав полевых шпатов и слюд. В основных и ультраосновных породах, богатых железом и магнием, калия мало. На земной поверхности калий, в отличие от натрия, мигрирует слабо. При выветривании горных пород калий частично переходит в воды, но оттуда его быстро захватывают организмы и поглощают глины, поэтому воды рек бедны калием и в океан его поступает много меньше, чем натрия. В океане калий поглощается организмами и донными илами (например, входит в состав глауконита); поэтому океанические воды содержат лишь 0,038% калия — 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 калия 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 калия 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 калия не теряют аргона, и по его содержанию можно определить абсолютный возраст горных пород (т. н. калий-аргоновый метод).

  Физические и химические свойства. Калий — серебряно-белый, очень лёгкий и мягкий металл (без труда режется ножом). Кристаллическая решётка калия объёмно-центрированная кубическая, а = 5,33 Å. Ат. радиус 2,36 Å, ионный радиус К⁺ 1,33 Å. Плотность 0,862 г/см³ (20 °С), t_пл 63,55 °С, t_kип 760 °С; коэффициент термического расширения 8,33×10^-5 (0—50 °С); теплопроводность при 21 °С 97,13 вт/(м×К) [0,232 кал/(см×сек×°С)]; удельная теплоёмкость (при 20 °С) 741,2 дж/(кг×К), т. е. 0,177 кал/(г×°С), удельное электросопротивление (при 20 °С) 7,118×10^-8 ом×м; температурный коэффициент электросопротивления 5,8×10^-5 (20 °С). Твёрдость по Бринеллю 400 кн/м² (0,04 кгс/мм²).

  Конфигурация внешней электронной оболочки атома калия 4s¹ в соответствии с чем его валентность в соединениях постоянно равна 1. Единственный валентный электрон атома калия более удалён от его ядра, чем валентные электроны лития и натрия, поэтому химическая активность калия выше, чем этих двух металлов. На воздухе, особенно влажном, калий быстро окисляется, вследствие чего его хранят в бензине, керосине или минеральном масле. При комнатной температуре калий реагирует с галогенами; при слабом нагревании соединяется с серой, при более сильном — с селеном и теллуром. При нагревании выше 200 °С в атмосфере водорода калий образует гидрид KH, самовоспламеняющийся на воздухе. Азот и калий не взаимодействуют даже при нагревании под давлением, но под влиянием электрического разряда эти элементы образуют азид калия KN₃ и нитрид калия K₃N. При нагревании калия с графитом получаются карбиды KC₈ (при 300 °С) и KC₁₆ (при 360 °С). В сухом воздухе (или кислороде) калий образует желтовато-белую окись K₂O и оранжевую перекись KO₂ (известны также перекиси K₂O₂ и K₂O₃, получаемые действием кислорода на раствор калия в жидком аммиаке).

  Калий весьма энергично, иногда со взрывом реагирует с водой, выделяя водород (2K + 2H₂O = 2KOH + H₂), а также с водными растворами кислот, образуя соли. В аммиаке калий медленно растворяется; полученный синий раствор — сильный восстановитель. При нагревании калий отнимает кислород от окислов и солей кислородных кислот с образованием K₂O и свободных металлов (или их окислов). Калий со спиртами даёт алкоголяты, ускоряет полимеризацию олефинов и диолефинов, с галогеналкилами и галогенарилами образует калийалкилы и калийарилы. Присутствие калия легко определить по фиолетовому окрашиванию пламени.

  Получение и применение. В промышленности калий 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 °С. Во втором — через расплавленную соль KCl пропускают пары Na при 760—800 °С: выделяющиеся пары калия конденсируют. Возможно также получение калия нагреванием выше 200 °С смесей хлорида калия с алюминием (или кремнием) и известью. Получение калия электролизом расплавленных KOH или KCl мало распространено вследствие низких выходов калия по току и трудности обеспечения безопасности процесса.

  Основное применение металлического калия — приготовление перекиси калия, служащей для регенерации кислорода (в подводных лодках и др.). Сплавы натрия с 40—90% калия, 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 калия (см. Калийные удобрения; о применении соединений калия 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. Калий — один из биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Суточная потребность в калии у взрослого человека (2—3 г) покрывается за счёт мяса и растительных продуктов; у грудных детей потребность в калии (30 мг/кг) полностью покрывается грудным молоком, в котором 60—70 мг% калия. Многие морские организмы извлекают калий из воды. Растения получают калий из почвы. У животных содержание калия составляет в среднем 2,4 г/кг. В отличие от натрия, калий сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его много меньше. В клетке калий распределён неравномерно.

  Ионы калия 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 калия тесно связан с углеводным обменом; ионы калия 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 калий из организма главным образом с мочой. Содержание калия в крови и тканях позвоночных регулируется гормонами надпочечников — кортикостероидами. В растениях калий распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много калия в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах (20—30 г/кг сухого вещества). При недостатке калия 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 калию. 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 калия 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.