钾(potassium),元素周期表中ⅠA族的
碱金属。元素符号K,相对原子质量39.0983。银白色金属光泽的蜡状软金属。相对密度为0.86g/cm3,熔点63.25℃,沸点760℃。化学性质比钠还活泼。与非金属单质直接化合,在空气中迅速氧化燃烧成橘红色的
超氧化钾(KO2),与氨反应生成
氨基钾(KNH2),与水或冰剧烈反应放热并释放出
氢气(H2)。钾火焰呈紫色。须储存于煤油中。与钠形成的钠钾合金熔点只有-12.5℃,像液钠一样作
增殖反应堆里的热交换剂。
研究历史
18世纪,化学家们发现植物碱(K2CO3、碳酸钾,从地层的沉淀物中获得)和矿物碱(Na2CO3、
碳酸钠,从燃烧木材的灰烬中获得)是两种不同的物质。人们在发现了这个差别之后,才分清了钾和钠之间的区别。
然而,在钾被确认为一种元素之前,碳酸钾就已经用于与动物脂肪混合、制造肥皂了。把木材灰烬用水浸泡,然后煮沸浓缩,就可以得到碳酸钾。
1807年,
汉弗里·戴维电解熔融氢氧化钾发现有金属小球形成,分离出了钾。
理化性质
物理性质
金属钾为固体,银白色,无嗅无味,质柔软,比
钠稍硬、比水轻。相对密度0.86g/cm3、熔点63.25℃,沸点760℃,熔融热0.598KJ/kg,气化热2075KJ/kg,导热率44.77w/(m·k)。钾原子半径2.272Å,电离势4.339eV,电子
逸出功2.24eV,还原电势-2.924V。
化学性质
金属钾质软,可以用一把小刀很轻易地切割钾。金属钾的新鲜切面有光泽,但是随后不久就会与空气中的氧气以及水蒸气反应而失去光泽。钾在空气中燃烧,所得的产物主要是橘黄色的
超氧化钾(KO2)。
更重的碱金属
铷和
铯也生成
超氧化物。在早期的文献中曾经提出过的所谓四氧化物,如K2O4,只不过是写成二聚物分子式的超氧化物,其所以这样写也许是为了使M2O、M2O2、M2O3、M2O4系列完整些,其中每种分子都包括两个碱金属原子.然而磁化率的测量和晶体结构的测定已经表明,超氧化钾是由K+离子和O2-离子组成,它是一种
顺磁性物质。所有的超氧化物中都包含O2-离子,因此碱金属超氧化物的正确化学式是MO2而不是M2O4。
金属钾与水迅速反应,生成
氢氧化钾(KOH)的无色碱性溶液和氢气。因为氢氧化钾的溶解,所得的溶液是碱性的。反应是放热的,在反应过程中,金属钾会变得很热,以至于会导致火灾,并以特征的淡紫色火焰燃烧。钾与水的反应要慢于铷(在元素周期表中紧靠在钾的下面)的相应反应;但是要快于钠(在元素周期表中紧靠在钾的上面)的相应反应。
金属钾同所有的卤素单质都剧烈反应,生成卤化钾。钾同氟气(F2)、
氯气(Cl2)、溴单质(Br2)和碘单质(I2)反应,分别生成
氟化钾(Ⅰ)(KF)、氯化钾(Ⅰ)(KCl)、溴化钾(Ⅰ)(KBr)和碘化钾(Ⅰ)(KI)。
金属钾能迅速溶解在稀硫酸中,生成氢气和含有钾(Ⅰ)离子的水溶液。
金属钾与碱的反应,其实就是钾与碱溶液中水的反应。随着反应的进行,氢氧化钾的浓度会持续增加。
制备方法
给电负性很低的钾离子(K+)增加一个电子是十分困难的,所以,所有分离钾的方法都需要经过电解。
通过电解熔融氯化钾(KCl)而得到的金属钾,一经生成就会溶解在熔融盐中。所以钾不能像预想的那样,通过与钠类似的方法生产。
阴极:
阳极:
因此,金属钾的制备方法改为用金属钠和熔融氯化钾在850℃发生的反应。
这是一个可逆反应。在这个环境中,钾具有很高的挥发性,能够从反应体系中分离出来,使得反应可以继续进行下去。这样生产出来的钾,其中杂质钠的含量很少。
此外还可以由叠氮化合物制取金属钾。
叠氮化钾的分解温度为355℃。用
锆粉还原铬酸盐或重铬酸盐也可以制取金属钾。钾提纯方法:用真空蒸馏进行提纯。使用硬质玻璃(
pyrex玻璃)制的装置。其仪器装置及操作步骤与金属钠的提纯方法相同。也可以采用冷捕集法、热捕集法、过滤法等方法相互配合可得到更高纯度的金属钾。
应用领域
工业用途
金属钾的用途不算太广,主要是用来作为脱水剂,因为钾能强烈地吸收水分。另外,在制造电子管时,也用它来吸收真实管内剩余的氧气与水汽。钾在有机合成中用作还原剂。用钾来制
钠钾合金,含77.2%钾和22.8%钠的合金熔点为-16.4℃,常温下为液态,有较高的热容,因此用它做核反应堆的冷却剂。
医疗用途
研究证实,钾对预防高血压等慢性病具有重要作用,并有助于防止钙流失,使骨骼更硬朗。按中国营养学会发布的2013版中国居民膳食营养素参考摄入量,健康人钾的适宜摄入量为每天2000毫克,要预防慢性病,钾的建议摄入量是3600毫克/天。
分布情况
钾在地壳中的含量为2.47%,占第七位。可用来提取钾盐的矿物有
钾盐矿(
KCl)、
光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)、
杂卤石(2CaSO4·K2SO4·2H2O)。分布极广的天然
硅酸盐矿物中也含有钾,如
钾长石K[AlSi3O8]。在云母、钾长石等硅酸盐中都富含钾。
计算化学数据
数据:
1、疏水参数计算参考值(XlogP):无
2、氢键供体数量:0
3、氢键受体数量:0
4、可旋转化学键数量:0
5、互变异构体数量:无
6、拓扑分子极性表面积(TPSA):0
7、重原子数量:1
8、表面电荷:1
9、复杂度:0
10、同位素原子数量:0
11、确定原子立构中心数量:0
12、不确定原子立构中心数量:0
13、确定化学键立构中心数量:0
14、不确定化学键立构中心数量:0
15、共价键单元数量:1
安全措施
环境危害
金属钾化学反应活性很高,在潮湿空气中能自燃。遇水或潮气猛烈反应放出氢气,大量放热,引起燃烧或爆炸。暴露在空气或氧气中能自行燃烧并爆炸使熔融物飞溅。
健康危害
金属钾对眼、鼻、咽喉和肺有刺激作用,接触后易引起
喷嚏、咳嗽和喉炎。高浓度吸入可致肺水肿。可灼伤皮肤。
危害防治
金属钾的主要危险是火险,当它与水接触时会着火。如不慎摄入过量钾盐时,可通过呕吐的方式排出体外,避免中暑。
小量泄漏后,避免扬尘,收集于干燥、洁净、有盖的容器或收入金属容器并保存在煤油或液体石蜡中。大量泄漏后,用塑料布、帆布覆盖,减少飞散。在专家指导下清除。
储存运输
储存方法
金属钾属一级危险物品,应根据国家标准采用特种方法包装与储运。常规做法,是将金属钾放入事先装有保护油品的广口铁桶内,油品需浸没过金属钾,保护油品为石蜡油。包装和保护措施,也可采用充满惰性气体的容器密封。用紧固密封盖密封。每桶净重35kg。包装外应明显标有“一级遇水燃烧物品“易燃易爆危险品”文字和图标标识,以及商品规定必须的文字说明。贮存期1年。贮存在阴凉、通风、干燥处,应专库贮存。注意防潮、防水、防晒、防水,远离热源和火种。搬动时要小心轻放,严禁倒置和强烈震动。
运输方法
运输时,加盖防雨苫布,避免日晒雨淋,不得与其他物品混装同运。失火时,须用干砂、石棉苫布或碳酸钙干粉灭火,不允许使用泡沫或二氧化碳,严禁用水扑救。