Ка́лий (лат. Kalium, от араб. القلوي – поташ; англ. potassium от англ. potash – название карбоната калия), K, химический элемент I группы короткой формы (1-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 19; атомная масса 39,0983; относится к щелочным металлам. Природный калий состоит из трёх изотопов: ³⁹K (93,2581 %), ⁴⁰K (0,0117 %; слаборадиоактивный, период полураспада T_1/2 1,277·10⁹ лет, β-распад до ⁴⁰Са), ⁴¹K (6,7302 %). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 32–54.

Историческая справка

Некоторые соединения калия были известны в древности, например карбонат калия K₂CO₃ (т. н. растительная щёлочь) выделяли из древесной золы и использовали при варке мыла. Металлический калий впервые получил Г. Дэви в 1807 г. электролизом влажного твёрдого гидроксида KOH и назвал потассием (англ. potassium от англ. potash – название карбоната калия). В 1809 г. было предложено название «калий» (от араб. القلوي – поташ). Название «потассий» сохранилось в Великобритании, США, Франции и других странах. В России с 1840 г. употребляют название «калий», принятое также в Германии, Австрии, Скандинавских странах.

Распространённость в природе

Содержание калия в земной коре составляет 2,6 % по массе. В свободном состоянии калий в природе не встречается. В значительных количествах калий содержится в силикатах нефелине и лейците, полевых шпатах (например, в ортоклазе), слюдах (например, в мусковите). Собственные минералы калия – сильвин, карналлит, каинит, лангбейнит K₂SO₄·2MgSO₄ – образуют большие скопления природных калийных солей. В результате действия воды и диоксида углерода калий переходит в растворимые соединения, которые частично уносятся в моря, частично удерживаются почвой. Соли калия содержатся также в рапе соляных озёр и подземных рассолах.

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома калия 4s¹; вОбразец калия в масле.Образец калия в масле. соединениях проявляет степень окисления +1; энергии ионизации K⁰→K⁺→K²⁺ соответственно равны 4,3407 и 31,8196 эВ; электроотрицательность по Полингу 0,82; атомный радиус 220 пм, радиус иона K⁺ 152 пм (координационное число 6).

Калий – серебристо-белый мягкий металл; кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная; t_пл 63,38 °C, t_кип 759 °C, плотность 856 кг/м³ (20 °C); теплоёмкость 29,60 Дж/(моль·К) при 298 К. Калий поддаётся прессованию и прокатыванию, легко режется ножом и сохраняет пластичность при низких температурах; твёрдость по Бринеллю 0,4 мПа.

Калий – металл высокой химической активности (его хранят под слоем бензина, керосина или минерального масла). При нормальных условиях калий взаимодействует с кислородом (образуется оксид K₂O, пероксид K₂O₂, надпероксид KO₂ – основной продукт), галогенами (соответствующие калия галогениды), при нагревании – с серой (сульфид K₂S), селеном (селенид K₂Se), теллуром (теллурид K₂Te), с фосфором в атмосфере азота (фосфиды K₃P и K₂P₅), углеродом (слоистые соединения состава KC₈ – KC₆₀), водородом (гидрид KH). С азотом калий взаимодействует только при воздействии электрического разряда (в небольшом количестве образуются азид KN₃ и нитрид K₃N). Калий взаимодействует с некоторыми металлами, образуя интерметаллиды или твёрдые растворы (сплавы калия). Наибольшее практическое значение имеют сплавы с натрием, отличающиеся высокой химической активностью; получают сплавлением металлов в инертной атмосфере или при действии металлического натрия на гидроксид KOH или хлорид KCl.

Металлический калий – сильный восстановитель: энергично (при нормальных условиях – со взрывом и воспламенением металла) реагирует с водой (образуется калия гидроксид KOH), бурно (иногда со взрывом) реагирует с кислотами (образуются соответствующие соли, например калия дихромат, калия нитрат, калия перманганат, калия фосфаты, калия цианид), восстанавливает оксиды B, Si, Al, Ag, Bi, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sn, Ti до элементов; сульфаты, сульфиты, нитраты, нитриты, карбонаты и фосфаты других металлов – до оксидов соответствующих металлов. Металлический калий медленно растворяется в жидком аммиаке, при этом образуется тёмно-синий раствор с металлической проводимостью; растворённый металл постепенно реагирует с аммиаком с образованием амида: $2K + 2NH_3 = 2KNH_2 + H_2$. Калий взаимодействует с различными органическими соединениями: спиртами (образуются алкоголяты, например этилат C₂H₅OK), ацетиленом (ацетилениды KC≡CH и KC≡CK), алкилгалогенидами (калийалкилы, например этилкалий C₂H₅K) и арилгалогенидами (калийарилы, например фенилкалий C₆H₅K). Металлический калий инициирует реакции полимеризации алкенов и диенов. С N- и O-донорными полициклическими лигандами (краун-эфирами, криптандами и другими ионофорами) калий образует комплексные соединения.

При работе с калием необходимо учитывать его высокую реакционную способность, в том числе способность загораться при контакте с водой. В целях безопасности необходимо использовать резиновые перчатки, защитные очки или маску. С большим количеством калия следует работать в специальных камерах, в инертной атмосфере (аргон, азот). Для тушения горящего калия применяют поваренную соль NaCl или кальцинированную соду Na₂CO₃.

Реакция калия с водой.Реакция калия с водой.

Chemicum / ShutterstockChemicum / Shutterstock

Биологическая роль

Калий относится к биогенным элементам. Суточная потребность человека в калии около 2 г. В живых организмах ионы калия играют важную роль в процессах регуляции обмена веществ, в частности транспорта ионов через клеточные мембраны.

Получение

В промышленности калий получают восстановлением расплавленного гидроксида KOH или хлорида KCl металлическим натрием в противоточной колонне с последующей конденсацией паров калия. Перспективны вакуум-термические способы получения калия, основанные на восстановлении хлорида KCl при нагревании смесью алюминия или кремния с оксидом кальция ($6KCl + 2Al + 4CaO = 6K + 3CaCl_2 + CaO·Al_2O_3$ или $4KCl + Si + 4CaO = 4K + 2CaCl_2 + 2CaO·SiO_2$), а также способ, основанный на получении сплава калия со свинцом электролизом карбоната K₂CO₃ или хлорида KCl с расплавленным свинцовым катодом и последующей отгонке из сплава калия. Объём мирового производства хлорида калия около 69,18·10⁶ т/год (2020).

Применение

Металлический калий – материал электродов в химических источниках тока, катализатор в процессах получения синтетического каучука. Широко применяют различные соединения калия: пероксид K₂O₂ и надпероксид KO₂ – компоненты составов для регенерации кислорода (на подводных лодках, космических кораблях и в других закрытых помещениях), гидрид KH – восстановитель в химическом синтезе, сплав калия с натрием (10–60 % Na по массе, жидкий при комнатной температуре) – теплоноситель в ядерных реакторах, восстановитель в производстве титана, реагент для очистки газов от кислорода и паров воды; соли калия используют в качестве калийных удобрений, компонентов моющих средств. Комплексы калия с ионофорами являются моделями для изучения транспорта ионов калия через клеточные мембраны. Радиоизотоп ⁴²K (T_1/2 12,36 ч) применяют как радиоактивный индикатор в химии, медицине и биологии.