В этой статье будет дана характеристика калия с точки зрения физики и химии. Первая из этих наук изучает механические и внешние свойства веществ. А вторая — их взаимодействие друг с другом — это химия. Калий — девятнадцатый по счету элемент в таблице Менделеева. Он принадлежит к щелочным металлам.
В этой статье будет рассмотрена и электронная формула калия, и его поведение с другими веществами и т. д. Это один из наиболее активных металлов. Наука, которая занимается изучением этого и других элементов — химия. 8 класс предусматривает изучение неорганических веществ и их свойств. Поэтому данная статья будет полезна школьникам. Итак, начнем.
Характеристика калия с точки зрения физики
Это простое вещество, которое при нормальных условиях находится в твердом агрегатном состоянии. Температура плавления составляет шестьдесят три градуса по шкале Цельсия. Закипает же данный металл, когда температура достигает семисот шестидесяти одного градуса по Цельсию. Рассматриваемое вещество обладает серебристо-белой окраской. Имеет металлический блеск.
Калий: в каких продуктах содержится?
Плотность калия составляет восемьдесят шесть сотых грамма на сантиметр кубический. Это очень легкий металл. Формула калия очень проста — он не формирует молекул. Данное вещество состоит из атомов, которые расположены близко друг к другу и имеют кристаллическую решетку. Атомная масса калия равняется тридцати девяти граммам на моль.
Твердость его очень низкая — его можно легко порезать ножом, как сыр.
Калий и химия
Начнем с того, что калий — химический элемент, который обладает очень высокой химической активностью. Даже хранить его на открытом воздухе нельзя, так как он моментально начинает реагировать с окружающими его веществами. Калий — химический элемент, который относится к первой группе и четвертому периоду таблицы Менделеева. Он обладает всеми свойствами, которые характерны для металлов.
Взаимодействие с простыми веществами
К ним относятся: кислород, азот, сера, фосфор, галогены (йод, фтор, хлор, бром). По порядку рассмотрим взаимодействие калия с каждым из них. Взаимодействие с кислородом называется окислением.
В течение данной химической реакции расходуется калий и оксиген в молярном соотношении четыре части к одной, в результате чего образуется оксид рассматриваемого металла в количестве двух частей. Данное взаимодействие можно выразить при помощи следующего уравнения реакции: 4К + О2 = 2К2О. При горении калия можно наблюдать ярко-фиолетовое пламя.
Взаимодействие со сложными веществами
Характеристика калия с точки зрения химии предусматривает рассмотрение и этой темы. К сложным веществам, с которыми способен реагировать калий, относятся вода, кислоты, соли, оксиды. Со всеми ними рассматриваемый металл реагирует по-разному.
Калий и вода
Свойства калия
Калием называется элемент, находящийся в периодической системе Менделеева под 19-ым номером. Вещество принято обозначать заглавной буквой К (от латинского Kalium). В русской химической номенклатуре настоящее название элемента появилось благодаря Г.И. Гессу в 1831 году. Изначально калий называли «аль-кали», что в переводе с арабского означает «зола растений».
Именно едкий кали стал материалом для самого первого получения вещества. Едкий кали, в свою очередь, добывался из поташа, который являлся продуктами горения растений (карбонат калия). Его первооткрывателем стал Х. Дэви. Стоит отметить, что карбонат калия является прототипом современного моющего средства.
Позже он использовался для удобрений, используемых в сельском хозяйстве, в производстве стекла и других целей. В настоящее поташ – это пищевая добавка, прошедшая официальную регистрацию, а калий научились добывать совершенно другими путями.
В природе калий можно обнаружить только в виде соединений с другими элементами (например, морская вода, или минералы), свободный его вид не встречается вообще. Он способен в достаточно короткий промежуток времени окисляться на открытом воздухе, а также вступать в химические реакции (например, при взаимодействии калия с водой, образуется щелочь).
Описание калия
Калий в виде простого вещества представляет собой щелочной металл. Для него характерен серебристо-белый окрас. На свежей поверхности моментально появляется блеск. Калий является мягким металлом, легко поддающимся плавлению. Если вещество или его соединения поместить в пламя горелки, то огонь приобретет розово-фиолетовый цвет.
Физические свойства калия
Калий очень мягкий металл, который легко разрезать обычным ножом. Его твердость по Бринеллю составляет 400 кн/м 2 (или 0,04 кгс/мм 2 ). Он имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку (5=5,33 А). Его плотность составляет 0,862 г/см 3 (20 0 С).
Вещество начинает плавиться при температуре в 63,55 0 С, закипать – при 760 0 С. Имеет коэффициент термического расширения, который равняется 8,33*10 -5 (0-50 0 С). Его удельная теплоемкость при температуре в 20 0 С составляет 741,2 дж/(кг*К) или же 0,177 кал/(г* 0 С). При той же температуре имеет удельное электросопротивление, равное 7,118*10 -8 ом*м. Температурный коэффициент электросопротивления металла составляет 5,8*10 -15 .
Калий образует кристаллы кубической сингонии, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,5247 нм, Z = 2.
Химические свойства
Калий является щелочным металлом. В связи с этим, металлические свойства калия проявляются типично, так же, как и других подобных металлов.
Элемент проявляет свою сильную химическую активность, а кроме этого, также выступает в роли сильного восстановителя Как уже говорилось выше, металл активно вступает в реакцию с воздухом, о чем свидетельствует появление пленок на его поверхности, в результате чего его цвет становится тусклым. Данную реакцию можно наблюдать невооруженным глазом.
Если калий на протяжении достаточно длительного времени контактирует с атмосферой, то есть вероятность его полного разрушения. При вступлении в реакцию с водой, происходит характерный взрыв. Это связано с выделяющимся водородом, который воспламеняется характерным розовато-фиолетовым пламенем. А при добавлении в воду, реагирующую с калием фенолфталеина, она приобретает малиновый цвет, который свидетельствует о щелочной реакции образующегося гидроксида калия (КОН).
При взаимодействии металла с такими элементами, как Na, Tl, Sn, Pb, Bi , образуются интерметаллиды
Указанные характеристики калия говорят о необходимости соблюдений определенных правил безопасности и условий во время хранения вещества. Так, вещество следует покрывать слоем бензина, керосина или силикона. Это делается для полного исключения его контакта с воздухом или водой.
Стоит отметить, что в условиях комнатной температуры металл вступает в реакцию с галогенами. Если его немного нагреть, то он легко взаимодействует с серой. В случае же увеличения температуры, калий способен соединяться с селеном и теллуром.
Если повысить температуру более 200 0 С в атмосфере водорода, то образуется гидрид КН, который способен воспламеняться без посторонней помощи, т.е. самостоятельно. Калий совершенно не взаимодействует с азотом, даже если для этого создать надлежащие условия (повышенные температуру и давление). Однако, контактировать эти два вещества можно заставить, повлияв на них электрическим разрядом. В данном случае получится азид калия KN3 и нитрид калия K3N. Если нагреть вместе графит и калий, то в результате получатся карбиды KC8 (при 300 °С) и KC16 (при 360 °C).
При взаимодействии калия и спиртов получаются алкоголяты. Кроме этого, калий делает существенно быстрее процесс полимеризации олефинов и диолефинов. Галогеналкилы и галогенарилы вместе с девятнадцатым элементом в результате дают калийалкилы и калийарилы.
Энергия ионизации (первый электрон)
Электронное строение атома калия
Калий имеет положительно заряженное ядро атома (+19). В середине этого атома присутствуют 19 протонов и 19 нейтронов, которые окружаются четырьмя орбитами, где в постоянном движении находятся 19 электронов. Электроны распределены на орбиталях в следующем порядке:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 .
На внешнем энергетическом уровне атома металла находится всего 1 валентный электрон. Это объясняет тот факт, что абсолютно во всех соединениях калий имеет валентность 1. В отличие от лития и натрия, данный электрон располагается на более удаленном расстоянии от ядра атома. Это является причиной повышенной химической активностью калия, чего нельзя сказать об упомянутых двух металлах. Таким образом, внешняя электронная оболочка калия представлена следующей конфигурацией:
Не смотря на присутствие вакантных 3p- и 3d-орбиталей, возбужденное состояние отсутствует.
Источник: mining-prom.ru
Характеристика калия. Строение калия. Соединения калия
Человеческий мозг непрерывно обучается. Нет разницы, чем мы занимаемся и какие конкретно действия повторяем день изо дня. Для прочного закрепления привычки требуется постоянное повторение и мозг обязательно обучится новому, даже претерпит изменения в своём физическом теле. Когда-то учёные начали узнавать наш мир.
Они составляли причинно-следственные связи и удивлялись, открывая новые законы природы. Так, одной из задач для учёных стала тайна элемента калий — химический элемент, который важен для живых существ.
Элемент калий и его обозначение
Калий — это химический элемент системы элементов, придуманной Дмитрием Менделеевым, который находится в первой группе. Он имеет атомный номер 19 и атомную массу равную 39,098 г/моль. По своим физическим свойствам элемент представляет из себя металл серебристо-белого цвета. Он очень пластичный и плавкий. Имеет характерный металлический блеск.
Калий легко режется ножом и по твердости не уступает куску твердого сыра. Калий состоит из трех изотопов: 39К, 41К, 40К. Два первых соединения являются стабильными, а третий считается достаточно слабым, но при всем этом радиоактивным. Период полураспада последнего соединения составляет 1,32*109 лет. Химический элемент в химии обозначают «К».
В нормальных условиях калий находится в твердом агрегатном состоянии. Температура плавления элемента равна 63 градуса, чего легко добиться при обычном нагревании. Температура же кипения элемента гораздо выше и составляет 761 градус.
Строение калия и его физико-химические свойства
Химический элемент располагается в четвертом периоде, поэтому все его электроны будут расположены на четырех энергетических уровнях. Энергетическая формула элемента выглядит следующим образом: +19К: 2ё; 8ё; 8ё; 1ё. Графическая формула элемента выглядит соответствующим образом.
Исходя из электронного строения элемента, можно сделать вывод, что калий имеет валентность равную I. Так как в химических реакциях элемент отдает один электрон с внешнего энергетического уровня, он проявляет восстановительные свойства, приобретая степень окисления +1.
Благодаря своему расположению в таблице Менделеева, можно сказать, что восстанавливающие свойства калия выражены гораздо сильнее, чем у Na, но слабее, чем у Rb. Такая закономерность связана с увеличением атомного диаметра. Кроме этого, калий будет сильнее, чем атом кальция, так как на внешнем энергетическом уровне у кальция уже два электрона и оторвать их гораздо сложнее, чем один.
Калий по своей химической структуре является простым веществом с металлической кристаллической решеткой и металлической химической связью. Исходя их этого, можно сказать, что калий легко вступает в реакцию и очень быстро окисляется на воздухе.
Роль калия в организме, симптомы недостатка и избытка
Он вместе с натрием поддерживает водно-солевой баланс клетки. Также он участвует в передаче между мембранами нервного импульса. Кроме того, он регулирует кислотно-щелочной баланс в клетке и во всем организме в целом. Он принимает участие в процессах обмена веществ, противодействует возникновению отеков, входит в состав цитоплазмы — около пятидесяти ее процентов — соли рассматриваемого металла. Главными признаками того, что организму не хватает калия, является отечность, возникновение такого заболевания, как водянка, раздражительность и нарушения в работе нервной системы, заторможенность реакции и ухудшение памяти.
Кроме того, недостаточное количество данного микроэлемента отрицательно сказывается на сердечно-сосудистой и мышечной системах. Недостаток калия на протяжении очень длительного времени может спровоцировать инфаркт либо инсульт. А вот из-за избытка калия в организме может развиться язва тонкого кишечника. Для сбалансирования своего питания таким образом, чтобы получать нормальное количество калия, нужно знать, в каких продуктах он содержится.
Как уже было сказано, калий очень активный элемент, поэтому очень легко вступает в реакцию с окружающеми его веществами. Если оставить кусок калия на воздухе, он мновенно вступит в реакцию с воздухом. Элемент прекрасно реагирует с кислородом, азотом, фосфором и галогенами.
Реакция окисления
Взаимодействие любых элементов с кислородом (О2) называется окислением. В результате реакции образуется оксид калия (II). В результате процесса образуется промежуточное соединение оксиген калия.
Горение
Если поджечь калий или его соединения, можно наблюдать фиолетовый цвет пламени у горелки или лучины. Благодаря этому, такая реакция является качественной на определение калия.
Реакция галогенирования
Исходя из того, с каким из элементов вступает в реакцию калий, реакции были названы: йодирование, фторирование, хлорирование и бромирование. Эти реакции являются реакциями присоединения, так как в результате образуется одно соединение. Соответственно, результатом химической реакции будут хлориды, бромиды, йодиды и фториды.
Реакция с азотом и фосфором
Калий реагирует с N2 на открытом воздухе. В результате горения образуется нитрид калия, который представляет собой соединение темно-зеленого цвета.
По такой же схеме калий взаимодействует с фосфором.
Реакция с водородом В качестве еще одного примера реакции присоединения можно привести реакцию калия с водородом. В результате химического взаимодействия образуется гидрид калия.
Применение
Жидкий при комнатной температуре сплав калия и натрия используется в качестве теплоносителя в замкнутых системах, например, в атомных силовых установках на быстрых нейтронах. Кроме того, широко применяются его жидкие сплавы с рубидием и цезием. Сплав состава: натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % — обладает рекордно низкой температурой плавления −78 °C.
Соединения калия — важнейший биогенный элемент и потому применяются в качестве удобрений. Калий является одним из трех базовых элементов, которые необходимы для роста растений наряду с азотом и фосфором. В отличие от азота и фосфора, калий является основным клеточным катионом.
При его недостатке у растения прежде всего нарушается структура мембран хлоропластов — клеточных органелл, в которых проходит фотосинтез. Внешне это проявляется в пожелтении и последующем отмирании листьев. При внесении калийных удобрений у растений увеличивается вегетативная масса, урожайность и устойчивость к вредителям. Соли калия широко используются в гальванотехнике, так как, несмотря на относительно высокую стоимость, они часто более растворимы, чем соответствующие соли натрия, и потому обеспечивают интенсивную работу электролитов при повышенной плотности тока.
Взаимодействие с комплексными соединениями
Калий способен реагировать с кислотами, солями, основаниями и оксидами. С каждым из перечисленных соединений калий вступает в реакцию по разному.
Реакция с водой
Если поместить кусочек калия в воду можно отметить бурную химическую реакцию. Калий, в буквальном смысле слова, будет провоцировать процесс кипения. В результате реакции образуется щелочь и чистый водород.
Реакция с кислотой
Взаимодействие с кислотами в данном случае можно назвать реакцией замещения, так как калий замещает атомы гидрогена из их соединений. В качестве примера можно привести реакцию калия с соляной кислотой. По такому же принципу калий реагирует с другими неорганическими кислотами.
Реакция с оксидами
Эта реакция относится к реакции обмена. Если металл в составе оксида оказывается слабее, чем калий, то элемент вытесняет его из соединения, присоединяя кислород.
Реакция с основаниями
Реакция с основаниями происходит по тому же принципу, что и взаимодействие с оксидами. Калий способен реагировать с соединениями, в которых элемент слабее, чем он сам. В результате данной реакции барий выпадает в осадок.
Реакция с солями
Химическая реакция с солями позволяет получать чистые металлы без примесей. Калий как сильный восстановитель вытесняет более слабый металл, присоединяя остаток соли к себе.
Где можно встретить данный элемент в природе?
Так как он обладает чрезвычайно высокой химической активностью, то на планете он нигде не встречается в чистом виде. Его можно увидеть только в составе разнообразных соединений. калия в земной коре составляет 2,4 процента. Самые распространенные минералы, в состав которых входит калий, — это сальвинит и карналлит. Первый обладает следующей химической формулой: NaCl.KCl.
Он обладает пестрой расцветкой и состоит из множества кристаллов разнообразной окраски. В зависимости от соотношения хлорида калия и натрия, а также от наличия примесей, он может содержать красные, синие, розовые, оранжевые составляющие. Второй минерал — карналлит — выглядит как прозрачные, нежно-голубые, светло-розовые либо бледно-желтые кристаллы. Его химическая формула выглядит так: KCl.MgCl2.6Н2О. Он является кристаллогидратом.
Где используют калий
Как и любой металл, калий очень востребован в промышленной индустрии. Благодаря своим сильным восстановительным свойствам и высокой реактивности его используют в следующих сферах:
Получение рассматриваемого металла
В наше время калий добывают в лабораториях двумя основными способами. Первый — восстановление его из гидроксида с помощью натрия, который химически еще более активен, чем калий. А второй — получение его из хлорида, тоже с помощью натрия. Если добавить к одному молю гидроксида калия столько же натрия, образуется по одному молю щелочи натрия и чистого калия.
Уравнение данной реакции выглядит следующим образом: КОН + Na = NaOH + К. Для проведения реакции второго типа нужно смешать хлорид рассматриваемого металла и натрий в равных молярных пропорциях. В результате этого образуются такие вещества, как кухонная соль и калий в одинаковом соотношении. Выразить данное химическое взаимодействие можно с помощью такого уравнения реакции: КСІ + Na = NaCl + К.
Источник: foodstars.ru