Реферат: 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 – ³⁹ K (93,08%), ⁴¹ K (6,91%) и одного слабо радиоактивного ⁴⁰ K (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 K₂ CO₃ ) и «минеральной щёлочью» (содой Na₂ CO₃ ). 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 ×6H₂ O 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 ⁴⁰ K – важный источник глубинного тепла, особенно в прошлые эпохи, когда этого изотопа было больше. При распаде ⁴⁰ K образуются ⁴⁰ Ca и аргон ⁴⁰ Ar, 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 ⁴⁰ K.

В медицине с лечебными целями применяют ацетат CH₃ COOK 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: NaAISi₃ O₈ – KAISi₃ O₈ – CaAl₂ Si₂ O₈ , т.е. это алюмосиликаты Na, К, Са (с примесью Ba, Sr, Pb, Fe, Li, Rb, Cs, Eu, Ce идр.). 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: KAISi₃ O₈ – NaAISi₃ O₈ (калинатровые, или щелочные, П. ш. и NaAISi₃ O₀ – CaAI₂ Si₂ O₈ – плагиоклазы). Редко встречаются бариевые П. ш. BaAI₂ Si₂ O₈ – цельзиан и твёрдые растворы KAISi₃ O₀ – BaAl₂ Si₂ O₈ – 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 ⁴⁰ K/⁴⁰ Ar 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 R₁ R_2-3 [AISi₃ O₁₀ ] (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 [AlSi₃ O₁₀ ] 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 [AISi₃ O₁₀ ] (OH)₂ ,

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--