KALI: LỊCH SỬ, CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, PHẢN ỨNG, SỬ DỤNG - HÓA HỌC

Các kali là một ký hiệu hóa học có tính kiềm là K. số nguyên tử của nó là 19 và nằm bên dưới natri trong bảng tuần hoàn. Nó là một kim loại mềm, thậm chí có thể cắt bằng dao. Ngoài ra, nó khá nhẹ, có thể nổi trên mặt nước lỏng trong khi phản ứng mạnh.

Khi mới cắt ra, nó có màu trắng bạc rất sáng, nhưng khi tiếp xúc với không khí, nó sẽ bị oxy hóa nhanh chóng và mất đi độ bóng, chuyển sang màu xám (gần như hơi xanh, giống như trong hình dưới đây).

Các mẩu kali bị ôxy hóa một phần được lưu trữ trong dầu khoáng. Nguồn: 2 × 910

Kali phản ứng nổ với nước để tạo thành kali hydroxit và khí hydro. Chính khí này là nguyên nhân gây ra phản ứng nổ. Khi nó cháy trong bật lửa, các nguyên tử bị kích thích của nó nhuộm ngọn lửa một màu hoa cà cực mạnh; đây là một trong những bài kiểm tra định tính của anh ấy.

Nó là kim loại phổ biến thứ bảy trong vỏ trái đất và chiếm 2,6% trọng lượng của nó. Nó được tìm thấy chủ yếu trong đá mácma, đá phiến sét và trầm tích, ngoài ra còn có các khoáng chất như sylvite (KCl). Không giống như natri, nồng độ của nó trong nước biển thấp (0,39 g / L).

Năm 1807, nhà hóa học người Anh, Sir Humphrey Davy, đã phân lập được kali bằng cách điện phân dung dịch hydroxit của nó, KOH. Kim loại này là kim loại đầu tiên được phân lập bằng phương pháp điện phân và Davy đặt cho nó tên tiếng Anh là kali.

Tuy nhiên, ở Đức, tên kalium được sử dụng để chỉ kim loại. Chính từ họ này là chữ 'K', được sử dụng như một biểu tượng hóa học cho kali.

Bản thân kim loại này ít được sử dụng trong công nghiệp, nhưng nó tạo ra nhiều hợp chất hữu ích. Tuy nhiên, về mặt sinh học, nó quan trọng hơn nhiều, vì nó là một trong những yếu tố cần thiết cho cơ thể chúng ta.

Ví dụ, ở thực vật, nó hỗ trợ quá trình quang hợp, quá trình thẩm thấu. Nó cũng thúc đẩy quá trình tổng hợp protein, do đó có lợi cho sự phát triển của cây trồng.

Lịch sử

Kali

Từ thời cổ đại, con người đã sử dụng kali như một loại phân bón, bỏ qua sự tồn tại của kali, ít hơn nhiều mối quan hệ của nó với kali. Điều này được chuẩn bị từ tro của thân và lá cây, sau đó nước được thêm vào, sau đó bốc hơi.

Rau chứa chủ yếu là kali, natri và canxi. Nhưng các hợp chất canxi hòa tan kém trong nước. Vì lý do này, bồ tạt là tập hợp các hợp chất kali. Từ này có nguồn gốc từ sự rút gọn của các từ tiếng Anh 'pot' và 'ash'.

Năm 1702, G. Ernst Stahl đề xuất sự khác biệt giữa muối natri và muối kali; Đề xuất này đã được xác minh bởi Henry Duhamel du Monceau, vào năm 1736. Vì thành phần chính xác của các muối không được biết, Antoine Lavoiser (1789) đã quyết định không đưa kiềm vào danh sách các nguyên tố hóa học.

Khám phá

Năm 1797, nhà hóa học người Đức Martin Klaproth đã phát hiện ra kali trong khoáng chất leucit và lepidolit, vì vậy ông kết luận rằng nó không chỉ là sản phẩm của thực vật.

Năm 1806, nhà hóa học người Anh Sir Humphrey Davy phát hiện ra rằng liên kết giữa các nguyên tố của một hợp chất có bản chất là điện.

Sau đó, Davy cô lập kali bằng cách điện phân kali hydroxit, quan sát các hạt cầu có ánh kim loại tích tụ ở cực dương. Ông đặt tên kim loại này bằng từ nguyên tiếng Anh là kali.

Năm 1809, Ludwig Wilhelm Gilbert đề xuất tên kalium (kalium) cho kali của Davy. Berzelius gọi tên kalium để gán ký hiệu hóa học "K" cho kali.

Cuối cùng, Justus Liebig vào năm 1840 đã phát hiện ra rằng kali là một nguyên tố cần thiết cho cây trồng.

Cấu trúc và cấu hình electron của kali

Kali kim loại kết tinh ở điều kiện bình thường theo cấu trúc lập phương tâm diện (bcc). Điều này có đặc điểm là mỏng, phù hợp với các đặc tính của kali. Một nguyên tử K được bao quanh bởi tám người hàng xóm, ngay ở tâm của một khối lập phương và với các nguyên tử K khác nằm ở các đỉnh.

Giai đoạn này bcc cũng được chỉ định là giai đoạn KI (đầu tiên). Khi áp suất tăng, cấu trúc tinh thể nén lại thành pha lập phương tâm mặt (fcc). Tuy nhiên, áp suất 11 GPa là cần thiết để quá trình chuyển đổi này diễn ra một cách tự phát.

Giai đoạn fcc dày đặc hơn này được gọi là K-II. Ở áp suất cao hơn (80 GPa) và nhiệt độ thấp hơn (nhỏ hơn -120 ºC), kali thu được pha thứ ba: K-III. K-III được đặc trưng bởi khả năng chứa các nguyên tử hoặc phân tử khác trong các khoang tinh thể của nó.

Ngoài ra còn có hai pha tinh thể khác ở áp suất cao hơn nữa: K-IV (54 GPa) và KV (90 GPa). Ở nhiệt độ rất lạnh, kali thậm chí còn thể hiện pha vô định hình (với các nguyên tử K bị rối loạn).

Số ôxy hóa

Cấu hình electron của kali là:

4s ¹

Orbital 4s là ngoài cùng và do đó có electron hóa trị duy nhất. Điều này về lý thuyết là nguyên nhân tạo ra liên kết kim loại giữ các nguyên tử K với nhau để xác định một tinh thể.

Từ cùng một cấu hình electron, dễ hiểu tại sao kali thường luôn (hoặc hầu như luôn luôn) có số oxi hóa +1. Khi nó mất đi một điện tử để tạo thành cation K ⁺ , argon khí quý, với octet hóa trị đầy đủ, trở thành đẳng điện tử.

Trong hầu hết các hợp chất dẫn xuất của nó, kali được giả định là K ⁺ (ngay cả khi các liên kết của nó không hoàn toàn là ion).

Mặt khác, mặc dù ít khả năng hơn, kali có thể thu được một điện tử, có hai điện tử trong quỹ đạo 4s của nó. Do đó, kim loại canxi trở thành đẳng điện tử:

4s ²

Sau đó người ta nói rằng nó đã thu được một electron và có số oxi hóa âm, -1. Khi số oxi hóa này được tính toán trong một hợp chất, thì giả thiết có sự tồn tại của anion potaside, K ^- .

Tính chất

Xuất hiện

Kim loại bạc trắng bóng.

Khối lượng phân tử

39,0983 g / mol.

Độ nóng chảy

83,5 ° C.

Điểm sôi

759 ° C.

Tỉ trọng

-0,862 g / cm ³ , ở nhiệt độ phòng.

-0,828 g / cm ³ , ở điểm nóng chảy (chất lỏng).

Độ hòa tan

Phản ứng dữ dội với nước. Hòa tan trong amoniac lỏng, etylenglycol và anilin. Hòa tan trong các kim loại kiềm khác để tạo hợp kim và trong thủy ngân.

Mật độ hơi

1,4 liên quan đến không khí được coi là 1.

Áp suất hơi

8 mmHg ở 432 ° C.

Ổn định

Ổn định nếu nó được bảo vệ khỏi không khí và độ ẩm.

Ăn mòn

Nó có thể bị ăn mòn khi tiếp xúc với kim loại. Khi tiếp xúc, nó có thể gây bỏng da và mắt.

Sức căng bề mặt

86 dynes / cm ở 100 ° C.

Nhiệt của nhiệt hạch

2,33 kJ / mol.

Nhiệt hóa hơi

76,9 kJ / mol.

Nhiệt dung mol

29,6 J / (mol · K).

Độ âm điện

0,82 trên thang điểm Pauling.

Năng lượng ion hóa

Mức ion hóa thứ nhất: 418,8 kJ / mol.

Mức ion hóa thứ hai: 3.052 kJ / mol.

Mức độ ion hóa thứ ba: 4.420 kJ / mol.

Đài nguyên tử

227 giờ tối.

Bán kính cộng hóa trị

203 ± 12 giờ đêm.

Sự giãn nở nhiệt

83,3 µm / (m · K) ở 25 ° C.

Dẫn nhiệt

102,5 W / (mK).

Điện trở suất

72 nΩ · m (ở 25 ° C).

Độ cứng

0,4 trên thang Mohs.

Đồng vị tự nhiên

Kali xuất hiện chủ yếu dưới dạng ba đồng vị: ³⁹ K (93,258%), ⁴¹ K (6,73%) và ⁴⁰ K (0,012%, phát xạ β phóng xạ)

Danh pháp

Các hợp chất kali có số oxi hóa +1 theo mặc định (với các ngoại lệ rất đặc biệt). Do đó, trong danh pháp cổ phiếu, (I) ở cuối tên bị bỏ qua; và trong danh pháp truyền thống, tên kết thúc bằng hậu tố -ico.

Ví dụ, KCl là kali clorua, không phải kali (I) clorua. Tên truyền thống của nó là kali clorua hoặc kali monoclorid, theo danh pháp hệ thống.

Đối với phần còn lại, trừ khi chúng là tên hoặc khoáng chất rất phổ biến (chẳng hạn như silvin), danh pháp xung quanh kali khá đơn giản.

Hình dạng

Kali không được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng kim loại, nhưng nó có thể được thu nhận trong công nghiệp ở dạng này cho một số mục đích sử dụng nhất định. Nó được tìm thấy chủ yếu trong cơ thể sống, ở dạng ion (K ⁺ ). Nói chung, nó là cation nội bào chính.

Kali có trong nhiều hợp chất, chẳng hạn như kali hydroxit, axetat hoặc clorua, v.v. Nó cũng là một phần của khoảng 600 khoáng chất, bao gồm sylvite, alunite, carnalite, v.v.

Kali tạo thành hợp kim với các nguyên tố kiềm khác, chẳng hạn như natri, xêzi và rubidi. Nó cũng tạo thành hợp kim bậc ba với natri và xêzi, thông qua cái gọi là hợp nhất eutectic.

Vai trò sinh học

Cây

Kali cấu thành, cùng với nitơ và phốt pho, ba chất dinh dưỡng chính của cây trồng. Kali được rễ cây hấp thụ ở dạng ion: một quá trình được ưa chuộng bởi sự tồn tại của các điều kiện thích hợp về độ ẩm, nhiệt độ và oxy.

Điều hòa sự đóng mở của khí khổng ở lá: hoạt động cho phép hấp thụ carbon dioxide, kết hợp với nước trong quá trình quang hợp để tạo thành glucose và oxy; Đây là những tác nhân tạo ra ATP, tạo thành nguồn năng lượng chính của sinh vật.

Nó tạo điều kiện tổng hợp một số enzym liên quan đến sự phát triển của thực vật, ngoài tinh bột, một chất dự trữ năng lượng. Nó cũng can thiệp vào quá trình thẩm thấu: một quá trình cần thiết cho sự hấp thụ nước và khoáng chất của rễ; và khi nước dâng lên qua xylem.

Bệnh vàng lá úa là biểu hiện của tình trạng cây thiếu kali. Có đặc điểm là lá cây mất đi độ xanh và chuyển sang màu vàng, mép bị cháy; và cuối cùng, sự rụng lá xảy ra, làm chậm sự phát triển của cây.

Động vật

Ở động vật, nói chung, kali là cation nội bào chính với nồng độ 140 mmol / L; trong khi nồng độ ngoại bào thay đổi trong khoảng 3,8 - 5,0 mmol / L. 98% kali của cơ thể được giới hạn trong ngăn nội bào.

Mặc dù lượng kali nạp vào có thể thay đổi từ 40 đến 200 mmol / ngày, nồng độ ngoại bào của nó được giữ không đổi nhờ cơ chế điều hòa bài tiết qua thận. Hormone aldosterone, điều chỉnh sự bài tiết kali ở mức độ của ống góp và ống xa, có liên quan đến việc này.

Kali chịu trách nhiệm chính trong việc duy trì độ thẩm thấu nội bào và do đó, nó chịu trách nhiệm duy trì tính toàn vẹn của tế bào.

Mặc dù màng sinh chất có tính thấm tương đối với kali, nhưng nồng độ nội bào của nó được duy trì nhờ hoạt động của enzym Na, ATPase (bơm natri và kali) loại bỏ ba nguyên tử natri và đưa vào hai nguyên tử kali.

Tái phân cực tế bào

Tế bào kích thích, được tạo thành từ các tế bào thần kinh và các tế bào cơ vân và cơ trơn; và các tế bào cơ vân, được tạo thành từ các tế bào cơ xương và cơ tim, đều có khả năng hình thành điện thế hoạt động.

Bên trong tế bào bị kích thích mang điện tích âm so với bên ngoài tế bào, nhưng khi được kích thích thích hợp, tính thấm của màng sinh chất của tế bào đối với natri tăng lên. Cation này thâm nhập qua màng sinh chất và chuyển thành dương tính bên trong tế bào.

Hiện tượng xảy ra được gọi là điện thế hoạt động, có một tập hợp các đặc tính, trong số đó, nó có khả năng lan truyền khắp tế bào thần kinh. Một lệnh do não ban hành truyền đi dưới dạng điện thế hoạt động đến một cơ nhất định để khiến nó co lại.

Để một điện thế hoạt động mới xảy ra, bên trong tế bào phải có điện tích âm. Để làm được điều này, cần có sự thoát ra của kali từ bên trong tế bào, đưa nó trở lại trạng thái tiêu cực ban đầu. Quá trình này được gọi là tái phân cực, là một chức năng chính của kali.

Do đó, sự hình thành các điện thế hoạt động và bắt đầu co cơ được cho là trách nhiệm chung của natri và kali.

Cac chưc năng khac

Kali phục vụ các chức năng khác của con người, chẳng hạn như trương lực mạch máu, kiểm soát huyết áp toàn thân và nhu động đường tiêu hóa.

Sự gia tăng nồng độ kali trong huyết tương (tăng kali huyết) tạo ra một loạt các triệu chứng như lo lắng, buồn nôn, nôn, đau bụng và các biểu hiện bất thường trên điện tâm đồ. Sóng T có liên quan đến tái cực tâm thất cao và rộng.

Ghi nhận này được giải thích là vì khi nồng độ ngoại bào của kali tăng lên, nó sẽ rời khỏi tế bào bên ngoài chậm hơn, do đó quá trình tái cực tâm thất chậm hơn.

Giảm nồng độ kali huyết tương (hạ calci huyết), cùng với những triệu chứng sau: yếu cơ, giảm nhu động ruột, giảm lọc cầu thận, rối loạn nhịp tim và sóng T dẹt trên điện tâm đồ.

Sóng T bị rút ngắn, vì khi giảm nồng độ kali ngoại bào, việc thoát ra ngoài tế bào được tạo điều kiện thuận lợi và thời gian tái cực giảm.

Kali được tìm thấy và sản xuất ở đâu

Tinh thể silvite, thực tế bao gồm kali clorua. Nguồn: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kali được tìm thấy chủ yếu trong đá mácma, đá phiến sét và trầm tích. Ngoài ra, trong các khoáng chất như muscovite và orthoclase, không hòa tan trong nước. Orthoclase là một khoáng chất thường xuất hiện trong đá mácma và đá granit.

Kali cũng có trong các hợp chất khoáng hòa tan trong nước, chẳng hạn như carnalit (KMgCl ₃ · 6H ₂ O), sylvite (KCl) và landbeinite, được tìm thấy trong lòng hồ khô và dưới đáy biển.

Ngoài ra, kali được tìm thấy trong nước muối và là sản phẩm của quá trình đốt thân và lá cây trong một quá trình được sử dụng để sản xuất kali. Mặc dù nồng độ của nó trong nước biển thấp (0,39 g / L), nó cũng được sử dụng để lấy kali.

Kali có trong các mỏ lớn, chẳng hạn như mỏ ở Saskatchewan, Canada, giàu khoáng chất sylvite (KCl) và có khả năng sản xuất 25% lượng kali tiêu thụ trên thế giới. Chất lỏng thải mặn có thể chứa một lượng đáng kể kali, ở dạng KCl.

Điện phân

Kali được sản xuất bằng hai phương pháp: điện phân và nhiệt. Trong điện phân, phương pháp được Davy sử dụng để phân lập kali đã được tuân theo mà không có những sửa đổi lớn.

Tuy nhiên, phương pháp này theo quan điểm công nghiệp không hiệu quả, vì phải hạ nhiệt độ nóng chảy cao của các hợp chất kali nóng chảy.

Phương pháp điện phân kali hydroxit được sử dụng trong công nghiệp vào những năm 1920. Tuy nhiên, phương pháp nhiệt đã thay thế nó và trở thành phương pháp chủ đạo để sản xuất kim loại này sau năm 1950.

Phương pháp nhiệt

Trong phương pháp nhiệt, kali được sản xuất bằng cách khử kali clorua nóng chảy ở 870 ºC. Phần này liên tục được đưa đến cột chưng cất chứa muối. Trong khi đó, hơi natri đi qua cột để tạo ra sự khử kali clorua.

Kali là thành phần dễ bay hơi nhất của phản ứng và tích tụ ở đỉnh của cột chưng cất, nơi nó được thu liên tục. Quá trình sản xuất kali kim loại bằng phương pháp nhiệt có thể được trình bày trong phương trình hóa học sau:

Na (g) + KCl (l) => K (l) + NaCl (l)

Quy trình Griesheimer, sử dụng phản ứng của kali florua với canxi cacbua, cũng được sử dụng để sản xuất kali:

2 KF + CaC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

Phản ứng

Vô cơ

Kali là một nguyên tố có tính phản ứng cao, phản ứng nhanh với oxy để tạo thành ba oxit: kali oxit (K ₂ O), peroxit (K ₂ O ₂ ) và superoxit (KO ₂ ).

Kali là một nguyên tố có tính khử mạnh, đó là lý do tại sao nó oxy hóa nhanh hơn hầu hết các kim loại. Nó được dùng để khử các muối kim loại, thay thế kali thành kim loại trong muối. Phương pháp này cho phép thu được các kim loại nguyên chất:

MgCl ₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

Kali phản ứng mạnh với nước để tạo thành kali hydroxit và giải phóng khí hydro gây nổ (hình ảnh bên dưới):

Kim loại kali phản ứng với dung dịch nước của phenolphtalein, chuyển sang màu đỏ tím khi ion OH- được giải phóng vào môi trường. Lưu ý sự tạo thành khí hiđro. Nguồn: Ozone aurora và Philip Evans qua Wikipedia.

Kali hydroxit có thể phản ứng với carbon dioxide để tạo ra kali cacbonat.

Kali phản ứng với cacbon monoxit ở nhiệt độ 60 ° C để tạo ra chất cacbonyl nổ (K ₆ C ₆ O ₆ ). Nó cũng phản ứng với hydro ở 350ºC, tạo thành hyđrua. Nó cũng phản ứng mạnh với halogen, và phát nổ khi tiếp xúc với brom lỏng.

Vụ nổ cũng xảy ra khi kali phản ứng với axit halogen hóa, chẳng hạn như axit clohydric, và hỗn hợp bị va đập hoặc lắc mạnh. Kali nóng chảy tiếp tục phản ứng với lưu huỳnh và hydro sunfua.

Hữu cơ

Phản ứng với các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm hoạt động, nhưng trơ với hydrocacbon thơm và béo. Kali phản ứng chậm với amoniac để tạo thành potasomine (KNH ₂ ).

Không giống như natri, kali phản ứng với cacbon ở dạng than chì để tạo thành một loạt các hợp chất interlaminar. Các hợp chất này có tỷ lệ nguyên tử cacbon-kali: 8, 16, 24, 36, 48, 60, hoặc 1; tức là KC ₆₀ chẳng hạn.

Các ứng dụng

Kali kim loại

Nhu cầu công nghiệp đối với kali kim loại không nhiều. Hầu hết nó được chuyển thành kali superoxide, được sử dụng trong mặt nạ thở, vì nó giải phóng oxy và loại bỏ carbon dioxide và hơi nước.

Hợp kim NaK có khả năng hấp thụ nhiệt lớn, đó là lý do tại sao nó được sử dụng làm chất làm mát trong một số lò phản ứng hạt nhân. Tương tự như vậy, kim loại hóa hơi đã được sử dụng trong tuabin.

Các hợp chất

Clorua

KCl được sử dụng trong nông nghiệp như một loại phân bón. Nó cũng được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các hợp chất kali khác, chẳng hạn như kali hydroxit.

Hydroxit

Còn được gọi là kali ăn da, KOH, nó được sử dụng trong sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa.

Phản ứng của nó với iốt tạo ra iốt kali. Muối này được thêm vào muối ăn (NaCl) và thức ăn chăn nuôi để bảo vệ nó chống lại sự thiếu hụt iốt. Kali hydroxit được sử dụng trong sản xuất pin kiềm.

Nitrat

Còn được gọi là muối tiêu, KNO ₃ , nó được dùng làm phân bón. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong việc chế tạo pháo hoa; như một chất bảo quản thực phẩm và trong thủy tinh cứng.

Chromate

Nó được sử dụng trong sản xuất phân bón và sản xuất phèn kali.

Cacbonat

Nó được sử dụng trong sản xuất thủy tinh, đặc biệt là những loại được sử dụng trong sản xuất ti vi.

Người giới thiệu

Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ . (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
Wikipedia. (2019). Kali. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
McKeehan LW (năm 1922). Cấu trúc tinh thể của Kali. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, 8 (8), 254–255. doi: 10.1073 / pnas.8.8.254
Masafumi Sakata và cộng sự. (2017). Sự chuyển pha cấu trúc của kali trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp. J. Phys .: Conf. Ser. 950 042020.
Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia. (2019). Kali. Cơ sở dữ liệu PubChem., CID = 5462222. Được khôi phục từ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Các biên tập viên của Encyclopaedia Britannica. (Ngày 03 tháng 5 năm 2019). Kali. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com
Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. (2019). Kali. Được khôi phục từ: rsc.org
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 24 tháng 1 năm 2019). 10 Sự kiện về Kali. Phục hồi từ: thinkco.com
Tốt nhất & Taylor. (2003). Cơ sở sinh lý của thực hành y tế. (Phiên bản thứ 13 bằng tiếng Tây Ban Nha). Biên tập Médica Panamericana.
Elm Axayacatl. (Ngày 02 tháng 3 năm 2018). Tầm quan trọng của kali (K) đối với cây trồng. Phục hồi từ: blogagosystemura.com
Lenntech BV (2019). Kali. Khôi phục từ: lenntech.com

KALI: LỊCH SỬ, CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, PHẢN ỨNG, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2025