КА́ЛИЙ

КА́ЛИЙ (лат. Kalium), K, хи­мич. эле­мент I груп­пы ко­рот­кой фор­мы (1-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 19; ат. м. 39,0983; от­но­сит­ся к ще­лоч­ным ме­тал­лам. При­род­ный К. со­сто­ит из трёх изо­то­пов: $\ce{^{39}K}$ (93,2581%), $\ce{^{40}K}$ (0,0117%; сла­бо­ра­дио­ак­тив­ный, $\ce{T_{1{/}2}}$ 1,277·10⁹ лет, β-рас­пад до $\ce{^{40}Са}$), $\ce{^{41}K}$ (6,7302%). Ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 32–54.

Историческая справка

Не­ко­то­рые со­еди­не­ния К. бы­ли из­вест­ны в древ­но­сти, напр. ка­лия кар­бо­нат $\ce{K_2CO_3}$ (т. н. рас­ти­тель­ная щё­лочь) вы­де­ля­ли из дре­вес­ной зо­лы и ис­поль­зо­ва­ли при вар­ке мы­ла. Ме­тал­лич. К. впер­вые по­лу­чил Г. Дэ­ви в 1807 элек­тро­ли­зом влаж­но­го твёр­до­го гид­ро­кси­да KOH и на­звал по­тас­си­ем (англ. potassium от англ. potash– назв. кар­бо­на­та К.). В 1809 бы­ло пред­ло­же­но назв. «ка­лий» (от араб. аль-ка­ли – по­таш). Назв. «по­тас­сий» со­хра­ни­лось в Ве­ли­ко­бри­та­нии, США, Фран­ции и др. стра­нах. В Рос­сии с 1840 упот­реб­ля­ют назв. «К.», при­ня­тое так­же в Гер­ма­нии, Ав­ст­рии, Скан­ди­нав­ских стра­нах.

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние К. в зем­ной ко­ре со­став­ля­ет 2,6% по мас­се. В сво­бод­ном со­стоя­нии К. в при­ро­де не встре­ча­ет­ся. В зна­чит. ко­ли­че­ст­вах К. со­дер­жит­ся в си­лика­тах не­фе­ли­не и лей­ци­те, по­ле­вых шпа­тах (напр., в ор­ток­ла­зе), слю­дах (напр., в му­с­ко­ви­те). Соб­ст­вен­ные ми­не­ра­лы К. – силь­вин, силь­ви­нит, кар­нал­лит, каинит­, лан­гбей­нит $\ce{K_2SO_4·2MgSO_4}$ об­ра­зу­ют боль­шие ско­п­ле­ния при­род­ных ка­лий­ных со­лей. В ре­зуль­та­те дей­ст­вия во­ды и ди­ок­си­да уг­ле­ро­да К. пе­ре­хо­дит в рас­тво­ри­мые со­еди­не­ния, ко­то­рые час­тич­но уно­сят­ся в мо­ря, час­тич­но удер­жи­ва­ют­ся поч­вой. Со­ли К. со­дер­жат­ся так­же в ра­пе со­ля­ных озёр и под­зем­ных рас­со­лах.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма К. $4s^¹$; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +1; энер­гии ио­ни­за­ции $\ce{K^0→K^+→K^{2+}}$ со­от­вет­ст­вен­но рав­ны 4,3407 и 31,8196 эВ; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 0,82; атом­ный ра­ди­ус 220 пм, ра­ди­ус ио­на $\ce{K^+}$ 152 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6).

К. – се­реб­ри­сто-бе­лый мяг­кий ме­талл; кри­стал­лич. ре­шёт­ка ку­бич. объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ная; $t_\text{пл}$ 63,38 °C, $t_\text{кип}$ 759 °C, плот­ность 856 кг/м³ (20 °C); те­п­ло­ём­кость 29,60 Дж/(моль·К) при 298 К. К. под­да­ёт­ся прес­со­ва­нию и про­ка­ты­ва­нию, лег­ко ре­жет­ся но­жом и со­хра­ня­ет пла­стич­ность при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах; твёр­дость по Бри­нел­лю 0,4 мПа.

К. – ме­талл вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­сти (К. хра­нят под сло­ем бен­зи­на, ке­ро­си­на или ми­нер. мас­ла). При нор­маль­ных ус­ло­ви­ях К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с ки­сло­ро­дом (об­ра­зу­ет­ся ок­сид $\ce{K_2O}$, пе­рок­сид $\ce{K_2O_2}$, над­пе­рок­сид $\ce{KO_2}$ – осн. про­дукт), га­ло­ге­на­ми (со­от­вет­ст­вую­щие ка­лия га­ло­ге­ни­ды), при на­гре­ва­нии – с се­рой (суль­фид $\ce{K_2S}$), се­ле­ном (се­ле­нид $\ce{K_2Se}$), тел­лу­ром (тел­лу­рид $\ce{K_2Te}$), с фос­фо­ром в ат­мо­сфе­ре азо­та (фос­фи­ды $\ce{K_3P}$ и $\ce{K_2P_5}$), уг­ле­ро­дом (слои­стые со­еди­не­ния со­ста­ва $\ce{KC_8}$ – $\ce{KC_{60}}$), во­до­ро­дом (гид­рид $\ce{KH}$). С азо­том К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет толь­ко при воз­дей­ст­вии элек­трич. раз­ря­да (в не­боль­шом ко­ли­че­ст­ве об­ра­зу­ют­ся азид KN₃ и нит­рид K₃N). К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с не­ко­то­ры­ми ме­тал­ла­ми, об­ра­зуя ин­тер­ме­тал­ли­ды или твёр­дые раст­во­ры (спла­вы К.). Наи­боль­шее прак­тич. зна­че­ние име­ют спла­вы с на­три­ем, от­ли­чаю­щие­ся вы­со­кой хи­мич. ак­тив­но­стью; по­лу­ча­ют сплав­ле­ни­ем ме­тал­лов в инерт­ной ат­мо­сфе­ре или при дей­ст­вии ме­тал­лич. на­трия на гид­ро­ксид $\ce{KOH}$ или хло­рид $\ce{KCl}$.

Ме­тал­лич. К. – 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, напр. ка­лия ди­хро­мат, ка­лия нит­рат, ка­лия пер­ман­га­нат, ка­лия фос­фа­ты, ка­лия циа­нид), вос­ста­нав­ли­ва­ет ок­си­ды $\ce{B, Si, Al, Ag, Bi, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sn, Ti}$ до эле­мен­тов; суль­фа­ты, суль­фи­ты, нит­ра­ты, нит­ри­ты, кар­бо­на­ты и фос­фа­ты др. ме­тал­лов – до ок­си­дов со­от­вет­ствую­щих ме­тал­лов. Ме­тал­лич. К. мед­лен­но рас­тво­ря­ет­ся в жид­ком ам­миа­ке, при этом об­ра­зу­ет­ся тём­но-си­ний рас­твор с ме­тал­лич. про­во­ди­мо­стью; рас­тво­рён­ный ме­талл по­сте­пен­но реа­ги­ру­ет с ам­миа­ком с об­ра­зо­ва­ни­ем ами­да: $\ce{2K + 2NH_3= 2KNH_2 +  H_2}$. К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с разл. ор­га­нич. со­еди­не­ния­ми: спир­та­ми (об­ра­зу­ют­ся ал­ко­го­ля­ты, напр. эти­лат $\ce{C_2H_5OK}$), аце­ти­ле­ном (аце­ти­ле­ни­ды $\ce{KC≡CH}$ и $\ce{KC≡CK}$), ал­кил­га­ло­ге­ни­да­ми (ка­лий­ал­ки­лы, напр. этил­ка­лий $\ce{C_2H_5K}$) и арил­га­ло­ге­ни­да­ми (ка­лий­а­ри­лы, напр. фе­нил­ка­лий $\ce{C_6H_5K}$). Ме­тал­лич. К. ини­ции­ру­ет ре­ак­ции по­ли­ме­ри­за­ции ал­ке­нов и дие­нов. С N- и O-до­нор­ны­ми по­ли­цик­лич. ли­ган­да­ми (кра­ун-эфи­ра­ми, крип­тан­да­ми и др. ио­но­фо­ра­ми) К. об­ра­зу­ет ком­плекс­ные со­еди­не­ния.

При ра­бо­те с К. не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать его вы­со­кую ре­ак­ци­он­ную спо­соб­ность, в т. ч. спо­соб­ность за­го­рать­ся при кон­так­те с во­дой. В це­лях бе­зо­пас­но­сти не­об­хо­ди­мо ис­поль­зо­вать ре­зи­но­вые пер­чат­ки, за­щит­ные оч­ки или мас­ку. С боль­шим ко­ли­че­ст­вом К. сле­ду­ет ра­бо­тать в спец. ка­ме­рах, в инерт­ной ат­мо­сфе­ре (ар­гон, азот). Для ту­ше­ния го­ря­ще­го К. при­ме­ня­ют по­ва­рен­ную соль $\ce{NaCl}$ или каль­ци­ни­ро­ван­ную со­ду $\ce{Na_2CO_3}$.

Биологическая роль

К. от­но­сит­ся к био­ген­ным эле­мен­там. Су­точ­ная по­треб­ность че­ло­ве­ка в К. ок. 2 г. В жи­вых ор­га­низ­мах ио­ны К. иг­ра­ют важ­ную роль в про­цес­сах ре­гу­ля­ции об­ме­на ве­ществ, в ча­ст­но­сти, транс­пор­та ио­нов че­рез кле­точ­ные мем­бра­ны (см., напр., в ст. Ион­ные на­со­сы).

Получение

В пром-сти К. по­лу­ча­ют вос­ста­нов­ле­ни­ем рас­плав­лен­но­го гид­ро­кси­да $\ce{KOH}$ или хло­ри­да $\ce{KCl}$ ме­тал­лич. на­три­ем в про­ти­во­точ­ной ко­лон­не с по­сле­дую­щей кон­ден­са­ци­ей па­ров К. Пер­спек­тив­ны ва­ку­ум-тер­мич. спо­со­бы по­лу­че­ния К., ос­но­ван­ные на вос­ста­нов­ле­нии хло­ри­да $\ce{KCl}$ при на­гре­ва­нии сме­сью алю­ми­ния или крем­ния с ок­си­дом каль­ция ($\ce{6KCl + 2Al + 4CaO=6K + 3CaCl_2 + CaO· Al_2O_3}$ или $\ce{4KCl + Si + 4CaO = 4K + 2CaCl_2 + 2CaO·SiO_2}$), а так­же спо­соб, ос­но­ван­ный на по­лу­че­нии спла­ва К. со свин­цом элек­тро­ли­зом кар­бо­на­та $\ce{K_2CO_3}$ или хло­ри­да $\ce{KCl}$ с рас­плав­лен­ным свин­цо­вым ка­то­дом и по­сле­дую­щей от­гон­ке из спла­ва К. Объ­ём ми­ро­во­го про­из-ва К. ок. 28 т/год (2004).

Применение

Ме­тал­лич. К. – ма­те­ри­ал элек­тро­дов в хи­мич. ис­точ­ни­ках то­ка, ка­та­ли­за­тор в про­цес­сах по­лу­че­ния син­те­тич. кау­чу­ка. Ши­ро­ко при­ме­ня­ют разл. со­еди­не­ния К.: пе­рок­сид $\ce{K_2O_2}$ и над­пе­рок­сид $\ce{KO_2}$ – ком­по­нен­ты со­ста­вов для ре­ге­не­ра­ции ки­сло­ро­да (на под­вод­ных лод­ках, кос­мич. ко­раб­лях и в др. за­кры­тых по­ме­ще­ни­ях), гид­рид $\ce{KH}$ – вос­ста­но­ви­тель в хи­мич. син­те­зе, сплав К. с на­три­ем (10–60% $\ce{Na}$ по мас­се, жид­кий при ком­нат­ной темп-ре) – те­п­ло­но­си­тель в ядер­ных ре­ак­то­рах, вос­ста­но­ви­тель в про­из-ве ти­та­на, реа­гент для очи­ст­ки га­зов от ки­сло­ро­да и па­ров во­ды; со­ли К. ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­ве ка­лий­ных удоб­ре­ний, ком­по­нен­тов мою­щих средств. Ком­плек­сы К. с ио­но­фо­ра­ми яв­ля­ют­ся мо­де­ля­ми для изу­че­ния транс­пор­та ио­нов К. че­рез кле­точ­ные мем­бра­ны. Ра­дио­изо­топ $\ce{^{42}K}$ ($\ce{T_{1{/}2}}$ 12,36 ч) при­ме­ня­ют как ра­дио­ак­тив­ный ин­ди­ка­тор в хи­мии, ме­ди­ци­не и био­ло­гии.