Калий

Общие сведения и методы получения

Калий (К) — серебристо-белый металл, быстро тускнеющий на воздухе при обычных условиях. Относится к щелочным металлам. Его ближай­шие аналоги — литий, натрий, рубидий, цезий. Содержание в земной ко­ре —2,6% (по массе).

Наиболее распространенные минералы, содержащие калий: сильвин КС1, арканит K₂SO₄, калийная селитра KNO₃, калиевый полевой шпат (ортоклаз) K [ AlSi ₃ 0₈), калиевая слюда KAyAlSisOioHOH - Fk , карнал­лит KCl - MgCl ₂ -6 H ₂ 0 и др

В соединениях известен с глубокой древности. Металлический калий получен в 1807 г. английским химиком Деви электролизом влажного едкого калн, который назвал его потассием, В 1809 г. Гильберт предло­жил называть потассий калием (от арабского аль-кали-поташ). Это название было принято в России в 1840 г.

Масштабы производства и потребления калия значительно ниже, чем натрня. По химическим свойствам калий близок натрню, но имеет более высокую реакционную способность. По этой причине получение калия более затруднительно, и в тех случаях, когда применение калия или натрия сравнительно равноценно, предпочитают натрий. В про­мышленности калий получают по обменным реакциям между металли­ческим натрием н КОН или КО: KOH - f - Na -> NaOH + K ; KCl + Na -«--»- NaCl + K . В перзом случае реакция идет между расплавленным гид-роксндом КОН и жидким натрием — противотоком в тарельчатой ре­акционной колонне прн 380—440 °С, во втором —через расплавленную соль КС1 пропускают пары натрия при 760—800 °С; выделяющиеся пары калия конденсируют. Электролиз расплавленных КОН и КС) при­меняют мало, вследствие низкого выхода по току н большой химиче­ской активности калия,

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный помер 19, атомная масса 39,098 а. е. м., атомный объем 43,50*10^-6 м³/моль. Атомный радиус (ме­таллический) 0,236 нм, ионный радиус К+ 0,133, ковалентный 0,203 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома калия 3 p ⁶ 4 s '. Ка­лий имеет два стабильных изотопа ³⁹К (93,08 %) и ⁴¹К (6,91 %) и один слабо радиоактивный изотоп ⁴⁰К (0,0119%) с периодом полураспада 1,32-10⁹ лет. Известно несколько искусственных радиоактивных изото­пов калия, среди которых практическое применение нашел изотоп "К с периодом полураспада 0,52 сут. Калий прн комнатной температуре об­ладает о. ц. к. решеткой с периодом а = 0,5247 нм Энергия кристалли­ческой решетки 90,2 мкДж/кмоль. Потенциалы ионизации атома калия /(эВ): 4,339, 31,81, 45,9 Работа выхода электронов q >=2,22 эВ. Электро­отрицательность 0,8. Работа выхода электронов для различных граней монокристалла калия: q >=2,4 эВ для грани (100), ф = 2,75 эВ для гра­ни (ПО), ф = 2,35 эВ для гранн (111).

Механические свойства

Твердость калия по Бринеллю при комнатной температуре НВ 0,4 МПа. Давление истечения калия по Н. С. Курнакову и А. И. Никитинскому 0,9 МПа прн диаметре матрицы 15,25 мм и выходном отверстии 2,86 мм (295,15 К). Модуль нормальной упругости Е при растяжении при 83 К равен 3,5 ГПа. Значения модуля Е, полученные на монокристалличе­ских образцах, в большой степени зависят от их ориентировки. Так, при 80 К значение Е вдоль направления < 11 1 > составляет 6,5 ГПа и снижается до 1,30 ГПа вдоль направления <100>.

Калий обладает большой сжимаемостью при приложении внешнего давления: х=32,4*10^-11 Па^-1.

Химические свойства

Калий — щелочной металл, является более активным элементом, чем натрий. По химическим свойствам калий более близок к рубидию и це­зию, чем к натрию н литию. Во всех химических соединениях, в том числе гидридах, проявляет степень окисления+1.

На воздухе калий очень быстро покрывается рыхлой пленкой окси­дов, поэтому его хранят в керосине или парафиновом масле. При не­значительном нагреве на воздухе калий возгорается.

Калий — един из наиболее электроположительных элементов. В ряду напряжений калий стоит далеко впереди водорода и вытесняет его из воды, образуя при этом сильное основание КОН.

Соединение устойчиво при атмосферном давлении и нагреве до 400 °С, а затем начинает распадаться с образованием оксида калия К₂0. Этот окенд имеет кристаллическую решетку типа CaF ₂ с периодом 0 = 0,644 нм, рентгеновская плотность 2,33 Мг/м³.

Гидроксид калия КОН представляет собой твердую, белую, хруп­кую массу плотностью 2,04 Мг/м³, плавящуюсч при 360,34 °С. Водный раствор гидроксида калия носит назваине калиевого щелока. КОН хо­рошо растворяется в метиловом и этиловом спиртах, эти растворы на­зывают спиртовым калиевым щелоком. Теплота образования КОН Дг /обр = 102,3 кДж/моль, плотность соединения 2,1 Мг/м³, температура плавления 678 К (405 °С). КОН хорошо растворим в воде.

С хлором калнй образует хлорид КО, который начинает заметно улетучиваться при температурах более низких, чем температура его плавления (гпл = 708^оС). Кристаллическая решетка КО—типа NaCl с периодом а=0,6277 нм.

Карбид калия К₂С₂ получается при взаимодействии калия с ацети­леном при 50 °С, характеризуется исключительно высокой химической активностью, самовоспламеняется даже в атмосфере SiO₂ и С0₂; при взаимодействии с водой взрывается.

Калий образует большое число химических соединений с электроот­рицательными элементами, прежде всего с элементами III — VIB под­групп, например галлием, таллием, оловом, висмутом, свинцом, теллу­ром. В этих соединениях, как правило, превалирует ионный или инно-ковалентиый тип связи. С натрием, одним из своих ближайших соседей по группе, калнй образует фазу Лавеcа KNa ₂ типа MgCu ₂ (С15). Ха­рактерная черта этого соединения — металлическая природа связи меж­ду атомами ьалия и натрия. Непрерывных твердых растворов в систе­мах с участием калия при обычных условиях не наблюдается.

Технологические свойства

Калий — очень мягкий и пластичный металл, легко поддающийся пла­стической деформации на холоду.

Области применения

Калий получил значительно более узкое промышленное применение по сравнению с натрием, что вызвано его более высокой химической ак­тивностью и повышенной стоимостью. Калий используют для производ­ства пероксида КгО, служащего для регенерации кислорода. Сплавы натрия с 40—90 % К, сохраняющие жидкое состояние при комнатной температуре, незаменимы в качестве теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах, так как наряду с благоприятными ядерно-физиче­скими свойствами обладают теплопроводностью, на несколько поряд­ков превосходящей теплопроводность обычных жидкостей.

Пары калия его сплавов с натрием могут быть использованы как рабочие тела для транспортных энергетических установок, так как эти материалы отличаются низкими температурами плавления и кипения, а также высокими критическими параметрами этих металлов и большими значениями теплот парообразования.

Низкий потенциал ионизации атомов калия, как и других щелочных металлов, определяет его использование в газоразрядных приборах.

Широкое применение в народном хозяйстве получила калийная се­литра — одно из самых ценных минеральных удобрений. Ее также ис­пользуют при производстве пороха, так как в отличие от натриевой селитры она практически не гигроскопична. Большое промышленное значение имеет гидроксид калия. В технике его получают в основном электролизом раствора КС1. Большую часть гидроксида калия транс­портируют в виде концентрированных растворов (примерно 50 %-ных). Выпариванием раствора получают твердый КОН. Калиевый щелок

применяют главным образом при производстве мыла как поглотитель диоксида углерода. В мыловаренном и стекольном производствах, а также при крашении, отбелке и отмывке шерстяных изделий широко используют карбонат калия К₂СО₃.