Historia, budowa, właściwości, reakcje, zastosowania potasu

3364
Sherman Hoover

Plik potas jest to metal alkaliczny, którego symbol chemiczny to K. Jego liczba atomowa wynosi 19 i znajduje się poniżej sodu w układzie okresowym. Jest to miękki metal, który można ciąć nawet nożem. Jest również dość lekki i może unosić się na wodzie w stanie ciekłym, reagując energicznie..

Świeżo ścięty ma bardzo jasny srebrno-biały kolor, ale wystawiony na działanie powietrza szybko się utlenia i traci połysk, zmieniając kolor na szarawy (prawie niebieskawy, jak na zdjęciu poniżej)..

Częściowo utlenione kawałki potasu przechowywane w oleju mineralnym. Źródło: 2 × 910 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Potas reaguje wybuchowo z wodą, tworząc wodorotlenek potasu i wodór. To właśnie ten gaz powoduje wybuch reakcji. Kiedy pali się w zapalniczce, jego wzbudzone atomy nadają płomieniowi intensywny liliowy kolor; to jest jeden z twoich testów jakościowych.

Jest siódmym najbardziej rozpowszechnionym metalem w skorupie ziemskiej i stanowi 2,6% jego wagi. Występuje głównie w skałach magmowych, łupkach i osadach, oprócz minerałów, takich jak sylwit (KCl). W przeciwieństwie do sodu, jego stężenie w wodzie morskiej jest niskie (0,39 g / l).

Potas został wyodrębniony w 1807 roku przez angielskiego chemika Sir Humphreya Davy'ego poprzez elektrolizę roztworu jego wodorotlenku KOH. Ten metal był pierwszym, który został wyodrębniony przez elektrolizę i Davy nadał mu angielską nazwę potas.

W Niemczech jednak nazwa kalium była używana w odniesieniu do metalu. Właśnie od tego nazwiska pochodzi litera „K”, używana jako symbol chemiczny potasu.

Sam metal ma niewielkie zastosowanie przemysłowe, ale wytwarza wiele użytecznych związków. Jednak biologicznie jest to o wiele ważniejsze, ponieważ jest jednym z podstawowych elementów naszego organizmu.

Na przykład w roślinach sprzyja realizacji fotosyntezy, czyli procesu osmozy. Promuje również syntezę białek, promując w ten sposób wzrost roślin.

Indeks artykułów

  • 1 Historia
    • 1.1 Potaż
    • 1.2 Odkrycie
  • 2 Struktura i konfiguracja elektronowa potasu
    • 2.1 stopień utlenienia
  • 3 Właściwości
    • 3.1 Wygląd
    • 3.2 Masa molowa
    • 3.3 Temperatura topnienia
    • 3.4 Temperatura wrzenia
    • 3.5 Gęstość
    • 3.6 Rozpuszczalność
    • 3.7 Gęstość par
    • 3.8 Prężność par
    • 3.9 Stabilność
    • 3.10 Korozyjność
    • 3.11 Napięcie powierzchniowe
    • 3.12 Ciepło topnienia
    • 3.13 Ciepło parowania
    • 3.14 Molowa pojemność cieplna
    • 3.15 Elektroujemność
    • 3.16 Energie jonizacji
    • 3.17 Promień atomowy
    • 3.18 Promień kowalencyjny
    • 3.19 Rozszerzalność cieplna
    • 3.20 Przewodność cieplna
    • 3.21 Oporność elektryczna
    • 3.22 Twardość
    • 3.23 Naturalne izotopy
  • 4 Nazewnictwo
  • 5 kształtów
  • 6 Rola biologiczna
    • 6.1 Rośliny
    • 6.2 Zwierzęta
    • 6.3 Repolaryzacja komórek
    • 6.4 Inne funkcje
  • 7 Gdzie znaleźć potas i jego produkcję
    • 7.1 Elektroliza
    • 7.2 Metoda termiczna
  • 8 reakcji
    • 8.1 Nieorganiczne
    • 8.2 Organiczne
  • 9 zastosowań
    • 9.1 Potas metaliczny
    • 9.2 Związki
  • 10 Referencje

Fabuła

Potaż

Od czasów starożytnych człowiek używał potażu jako nawozu, ignorując istnienie potasu, a tym bardziej jego związek z potasem. Zostało to przygotowane z popiołów pni i liści drzew, do których dodano wodę, która później została odparowana.

Warzywa zawierają głównie potas, sód i wapń. Ale związki wapnia są słabo rozpuszczalne w wodzie. Z tego powodu potaż był koncentratem związków potasu. Słowo to pochodzi od skrócenia angielskich słów „pot” i „ash”.

W 1702 roku G. Ernst Stahl zasugerował różnicę między solami sodowymi i potasowymi; Sugestię tę zweryfikował Henry Duhamel du Monceau w 1736 roku. Ponieważ dokładny skład soli nie był znany, Antoine Lavoiser (1789) zdecydował się nie umieszczać alkaliów na liście pierwiastków chemicznych..

Odkrycie

W 1797 roku niemiecki chemik Martin Klaproth odkrył potaż w minerałach leucytu i lepidolicie, dla których doszedł do wniosku, że jest to nie tylko produkt roślinny..

W 1806 r. Angielski chemik Sir Humphrey Davy odkrył, że wiązanie między elementami związku ma charakter elektryczny..

Następnie Davy wyodrębnił potas przez elektrolizę wodorotlenku potasu, obserwując kulki metalicznego połysku, które gromadziły się na anodzie. Nazwany metal z angielskim słowem potasowym.

W 1809 roku Ludwig Wilhelm Gilbert zaproponował nazwę kalium (kalium) dla potasu Davy'ego. Berzelius przywołał nazwę kalium, aby przypisać potasowi symbol chemiczny „K”.

Wreszcie Justus Liebig w 1840 roku odkrył, że potas jest niezbędnym pierwiastkiem dla roślin.

Struktura i konfiguracja elektronowa potasu

Metaliczny potas krystalizuje w normalnych warunkach w strukturze sześciennej (Bcc) wyśrodkowanej na ciele. Charakteryzuje się małą gęstością, co jest zgodne z właściwościami potasu. Atom K jest otoczony przez osiem sąsiadów, w samym środku sześcianu, a pozostałe atomy K znajdują się w wierzchołkach.

Ta faza UDW jest również oznaczona jako faza K-I (pierwsza). Wraz ze wzrostem ciśnienia struktura kryształu ulega zagęszczeniu do fazy sześciennej centrowanej powierzchni (fcc). Jednak, aby to przejście nastąpiło spontanicznie, potrzebne jest ciśnienie 11 GPa..

Ta gęstsza faza fcc jest znana jako K-II. Przy wyższych ciśnieniach (80 GPa) i niższych temperaturach (poniżej -120 ºC) potas przechodzi w trzecią fazę: K-III. K-III charakteryzuje się zdolnością do przyjmowania innych atomów lub cząsteczek w swoich krystalicznych wnękach..

Istnieją również dwie inne fazy krystaliczne pod jeszcze wyższymi ciśnieniami: K-IV (54 GPa) i K-V (90 GPa). W bardzo niskich temperaturach potas wykazuje nawet fazę bezpostaciową (z nieuporządkowanymi atomami K).

Numer utleniania

Konfiguracja elektronowa potasu to:

[Ar] 4s1

Orbital 4s jest najbardziej zewnętrznym i dlatego ma jedyny elektron walencyjny. Teoretycznie jest to odpowiedzialne za wiązanie metaliczne, które utrzymuje razem atomy K w celu zdefiniowania kryształu.

Z tej samej konfiguracji elektronów łatwo jest zrozumieć, dlaczego potas zawsze (lub prawie zawsze) ma stopień utlenienia +1. Kiedy tracisz elektron, aby utworzyć kation K.+, staje się izoelektroniczny z argonem będącym gazem szlachetnym, z jego pełnym oktetem walencyjnym.

Zakłada się, że w większości pochodnych potasu występuje potas+ (nawet jeśli twoje więzi nie są czysto jonowe).

Z drugiej strony, choć jest to mniej prawdopodobne, potas może zyskać elektron, mając dwa elektrony na orbicie 4s. W ten sposób wapń metaliczny staje się izoelektroniczny:

[Ar] 4sdwa

Mówi się wtedy, że zyskał elektron i ma ujemny stopień utlenienia, -1. Kiedy oblicza się ten stopień utlenienia w związku, zakłada się istnienie anionu potasydowego K-.

Nieruchomości

Wygląd

Błyszczący, biały, srebrny metal.

Masa cząsteczkowa

39,0983 g / mol.

Temperatura topnienia

83,5 ° C.

Temperatura wrzenia

759 ºC.

Gęstość

-0,862 g / cm3, w temperaturze pokojowej.

-0,828 g / cm3, w temperaturze topnienia (ciecz).

Rozpuszczalność

Reaguje gwałtownie z wodą. Rozpuszczalny w ciekłym amoniaku, etylenodiaminie i anilinie. Rozpuszczalny w innych metalach alkalicznych do tworzenia stopów oraz w rtęci.

Gęstość pary

1.4 w stosunku do powietrza przyjętego jako 1.

Ciśnienie pary

8 mmHg przy 432 ºC.

Stabilność

Stabilny, jeśli jest chroniony przed powietrzem i wilgocią.

Korozyjność

Może powodować korozję w kontakcie z metalami. W kontakcie może powodować oparzenia skóry i oczu.

Napięcie powierzchniowe

86 dyn / cm przy 100 ° C.

Ciepło topnienia

2,33 kJ / mol.

Ciepło parowania

76,9 kJ / mol.

Molowa pojemność cieplna

29,6 J / (mol K).

Elektroujemność

0,82 w skali Paulinga.

Energie jonizacji

Pierwszy stopień jonizacji: 418,8 kJ / mol.

Drugi poziom jonizacji: 3,052 kJ / mol.

Trzeci poziom jonizacji: 4420 kJ / mol.

Radio atomowe

227 wieczorem.

Promień kowalencyjny

203 ± 12:00.

Rozszerzalność cieplna

83,3 µm / (mK) w 25 ° C.

Przewodność cieplna

102,5 W / (m · K).

Rezystancja

72 nΩ · m (przy 25 ºC).

Twardość

0,4 w skali Mohsa.

Naturalne izotopy

Potas występuje jako trzy główne izotopy: 39K (93,258%),41K (6,73%) i 40K (0,012%, radioaktywne emitujące β)

Nomenklatura

Związki potasu mają domyślnie stopień utlenienia +1 (z bardzo szczególnymi wyjątkami). Dlatego w nomenklaturze akcji pomija się (I) na końcu nazwy; aw tradycyjnej nomenklaturze nazwy kończą się przyrostkiem -ico.

Na przykład KCl to chlorek potasu, a nie chlorek potasu (I). Jego tradycyjna nazwa to chlorek potasu lub monochlorek potasu, zgodnie z systematyczną nomenklaturą.

Co do reszty, jeśli nie są to bardzo popularne nazwy lub minerały (takie jak silvin), nazewnictwo potasu jest dość proste.

Kształty

Potas nie występuje w naturze w postaci metalicznej, ale można go uzyskać przemysłowo w tej postaci do określonych zastosowań. Występuje głównie u istot żywych, w postaci jonowej (K+). Ogólnie jest to główny kation wewnątrzkomórkowy.

Potas jest obecny w wielu związkach, takich jak wodorotlenek potasu, octan lub chlorek itp. Jest również częścią około 600 minerałów, w tym sylwin, alunit, karnalit itp..

Potas tworzy stopy z innymi pierwiastkami alkalicznymi, takimi jak sód, cez i rubid. Tworzy również stopy trójskładnikowe z sodem i cezem poprzez tak zwane fuzje eutektyczne..

Rola biologiczna

Rośliny

Potas stanowi obok azotu i fosforu trzy główne składniki pokarmowe roślin. Potas jest wchłaniany przez korzenie w postaci jonowej: procesowi sprzyja istnienie odpowiednich warunków wilgotności, temperatury i natlenienia.

Reguluje otwieranie i zamykanie dolistnych aparatów szparkowych: działanie, które umożliwia pobieranie dwutlenku węgla, który podczas fotosyntezy łączy się z wodą, tworząc glukozę i tlen; Są to czynniki generujące ATP, które stanowią główne źródło energii dla istot żywych.

Ułatwia syntezę niektórych enzymów związanych ze wzrostem roślin, oprócz skrobi będącej substancją rezerwową energii. Interweniuje również w osmozie: procesie niezbędnym do wchłaniania wody i minerałów przez korzenie; i we wznoszeniu się wody przez ksylem.

Chloroza jest przejawem niedoboru potasu w roślinach. Charakteryzuje się tym, że liście tracą zieleń i żółkną, z przypalonymi krawędziami; wreszcie następuje defoliacja z opóźnieniem wzrostu roślin.

Zwierząt

U zwierząt na ogół potas jest głównym wewnątrzkomórkowym kationem o stężeniu 140 mmol / l; podczas gdy stężenie zewnątrzkomórkowe waha się od 3,8 do 5,0 mmol / l. 98% potasu w organizmie jest ograniczone do przedziału wewnątrzkomórkowego.

Chociaż spożycie potasu może wahać się od 40 do 200 mmol / dzień, jego stężenie pozakomórkowe jest utrzymywane na stałym poziomie dzięki regulacji wydalania przez nerki. Bierze w tym udział hormon aldosteron, który reguluje wydzielanie potasu na poziomie kanalików zbiorczych i dystalnych..

Potas jest centralnym czynnikiem odpowiedzialnym za utrzymanie wewnątrzkomórkowej osmolarności, a zatem jest odpowiedzialny za utrzymanie integralności komórkowej.

Chociaż błona plazmatyczna jest stosunkowo przepuszczalna dla potasu, jej stężenie wewnątrzkomórkowe jest utrzymywane przez aktywność enzymu Na, ATPazy (pompa sodowa i potasowa), który usuwa trzy atomy sodu i wprowadza dwa atomy potasu.

Repolaryzacja komórek

Pobudliwe komórki, złożone z neuronów oraz komórek mięśni poprzecznie prążkowanych i mięśni gładkich; i komórki mięśni poprzecznie prążkowanych, złożone z komórek mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego, wszystkie są zdolne do tworzenia potencjałów czynnościowych.

Wnętrze komórek pobudliwych jest naładowane ujemnie w stosunku do powierzchni zewnętrznej komórki, ale przy odpowiedniej stymulacji zwiększa się przepuszczalność sodu dla błony plazmatycznej komórek. Ten kation przenika przez błonę plazmatyczną i sprawia, że ​​wnętrze komórki jest dodatnie..

Zjawisko, które zachodzi, nazywa się potencjałem czynnościowym, który ma zestaw właściwości, wśród nich jest w stanie rozprzestrzeniać się po neuronie. Polecenie wydawane przez mózg przemieszcza się jako potencjały czynnościowe do danego mięśnia, powodując jego skurcz..

Aby pojawił się nowy potencjał czynnościowy, wnętrze komórki musi mieć ładunek ujemny. Aby to zrobić, następuje wyjście potasu z wnętrza komórki, przywracając jej pierwotną negatywność. Proces ten nazywany jest repolaryzacją, będącą główną funkcją potasu.

Dlatego mówi się, że za tworzenie potencjałów czynnościowych i inicjację skurczu mięśni odpowiadają wspólnie sód i potas..

Inne funkcje

Potas ma inne funkcje u ludzi, takie jak napięcie naczyń, kontrola ogólnoustrojowego ciśnienia krwi i motoryka przewodu pokarmowego..

Wzrost stężenia potasu w osoczu (hiperkaliemia) wywołuje szereg objawów, takich jak niepokój, nudności, wymioty, ból brzucha i nieprawidłowości w zapisie EKG. Załamek T związany z repolaryzacją komór jest wysoki i szeroki.

Ten zapis jest wyjaśniony, ponieważ gdy zewnątrzkomórkowe stężenie potasu wzrasta, wolniej opuszcza on zewnątrz komórki, więc repolaryzacja komór jest wolniejsza.

Spadek stężenia potasu w osoczu (hipokalcemia) objawia się między innymi osłabieniem mięśni, zmniejszoną ruchliwością jelit, zmniejszoną filtracją kłębuszkową, arytmią serca i spłaszczeniem załamka T w elektrokardiogramie.

Załamek T ulega skróceniu, ponieważ poprzez zmniejszenie pozakomórkowego stężenia potasu ułatwione jest jego wydostawanie się na zewnątrz komórki i skraca się czas trwania repolaryzacji.

Gdzie znajduje się potas i gdzie jest jego produkcja

Kryształ silwitu, który składa się praktycznie z chlorku potasu. Źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Potas występuje głównie w skałach magmowych, łupkach i osadach. Również w minerałach, takich jak muskowit i ortoklaz, które są nierozpuszczalne w wodzie. Ortoklaz to minerał, który zwykle występuje w skałach magmowych i granicie.

Potas jest również obecny w rozpuszczalnych w wodzie związkach mineralnych, takich jak karnalit (KMgCl36HdwaO), sylwin (KCl) i landbeinite [K.dwaMgdwa(POŁUDNIOWY ZACHÓD4)3], znalezione w suchych korytach jezior i na dnie morskim.

Ponadto potas występuje w solankach oraz jako produkt spalania pni i liści roślin w procesie produkcji potażu. Chociaż jego stężenie w wodzie morskiej jest niskie (0,39 g / l), jest również używany do pozyskiwania potasu.

Potas występuje w dużych złożach, takich jak w Saskatchewan w Kanadzie, bogatych w mineralny sylwin (KCl) i zdolnych do produkcji 25% światowego zużycia potasu. Płyny solankowe mogą zawierać znaczne ilości potasu w postaci KCl.

Elektroliza

Potas produkowany jest dwoma metodami: elektrolizą i termiczną. W elektrolizie metoda zastosowana przez Davy'ego do izolacji potasu została zastosowana bez większych modyfikacji..

Jednak ta metoda z przemysłowego punktu widzenia nie była skuteczna, ponieważ trzeba obniżyć wysoką temperaturę topnienia stopionych związków potasu..

Metoda elektrolizy wodorotlenku potasu była stosowana na skalę przemysłową w latach 20. XX w. Wyparła ją jednak metoda termiczna, która od 1950 r. Stała się dominującą metodą produkcji tego metalu..

Metoda termiczna

W metodzie termicznej potas jest wytwarzany poprzez redukcję stopionego chlorku potasu w temperaturze 870 ºC. Jest on w sposób ciągły podawany do kolumny destylacyjnej wypełnionej solą. W międzyczasie para sodu przechodzi przez kolumnę, powodując redukcję chlorku potasu..

Potas jest najbardziej lotnym składnikiem reakcji i gromadzi się w górnej części kolumny destylacyjnej, skąd jest zbierany w sposób ciągły. Wytwarzanie metalicznego potasu metodą termiczną można zarysować następującym równaniem chemicznym:

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

Do produkcji potasu wykorzystuje się również proces Griesheimera, który wykorzystuje reakcję fluorku potasu z węglikiem wapnia:

2 KF + CaCdwa     => 2 K + CaFdwa    +     2 C

Reakcje

Nieorganiczny

Potas jest silnie reaktywnym pierwiastkiem, który szybko reaguje z tlenem, tworząc trzy tlenki: tlenek (KdwaO), nadtlenek (K.dwaLUBdwa) i ponadtlenek (KOdwa) potas.

Potas jest pierwiastkiem silnie redukującym, dlatego utlenia się szybciej niż większość metali. Służy do redukcji soli metali, zastępując potas metalem w soli. Ta metoda pozwala na uzyskanie czystych metali:

MgCldwa    +     2 K => Mg + 2 KCl

Potas silnie reaguje z wodą, tworząc wodorotlenek potasu i uwalniając wybuchowy wodór (zdjęcie poniżej):

Metaliczny potas reagujący z wodnym roztworem fenoloftaleiny, który zmienia kolor na purpurowo-czerwony, gdy jony OH- są uwalniane do pożywki. Zwróć uwagę na tworzenie się wodoru. Źródło: Ozone aurora i Philip Evans z Wikipedii.

Wodorotlenek potasu może reagować z dwutlenkiem węgla, tworząc węglan potasu.

Potas reaguje z tlenkiem węgla w temperaturze 60 ° C, tworząc wybuchowy karbonyl (K6do6LUB6). Reaguje również z wodorem w temperaturze 350ºC, tworząc wodorek. Jest również wysoce reaktywny z halogenami i wybucha w kontakcie z ciekłym bromem..

Eksplozje występują również, gdy potas reaguje z kwasami chlorowcowanymi, takimi jak kwas solny, i mieszaninę silnie wstrząsa lub uderza. Stopiony potas dalej reaguje z siarką i siarkowodorem.

Organiczny

Reaguje ze związkami organicznymi, które zawierają grupy aktywne, ale jest obojętny na węglowodory alifatyczne i aromatyczne. Potas wolno reaguje z amoniakiem, tworząc potasominę (KNHdwa).

W przeciwieństwie do sodu, potas reaguje z węglem w postaci grafitu, tworząc szereg związków międzywarstwowych. Te związki mają stosunki atomowe węgiel-potas: 8, 16, 24, 36, 48, 60 lub 1; tj. KC60, na przykład.

Aplikacje

Metaliczny potas

Nie ma dużego popytu przemysłowego na metaliczny potas. Większość z nich jest przekształcana w nadtlenek potasu, używany w aparatach oddechowych, ponieważ uwalnia tlen oraz usuwa dwutlenek węgla i parę wodną..

Stop NaK ma dużą zdolność pochłaniania ciepła, dlatego jest używany jako chłodziwo w niektórych reaktorach jądrowych. Podobnie, w turbinach zastosowano metal w postaci pary.

Związki

Chlorek

KCl jest stosowany w rolnictwie jako nawóz. Wykorzystywany jest również jako surowiec do produkcji innych związków potasu, np. Wodorotlenku potasu.

Wodorotlenek

Znany również jako potaż żrący, KOH, jest używany do produkcji mydeł i detergentów.

W reakcji z jodem powstaje jodek potasu. Sól ta jest dodawana do soli kuchennej (NaCl) i paszy w celu ochrony przed niedoborem jodu. Wodorotlenek potasu jest używany do produkcji baterii alkalicznych.

Azotan

Znany również jako saletra, KNO3, jest używany jako nawóz. Ponadto jest używany do wytwarzania fajerwerków; jako środek konserwujący do żywności oraz w szkle hartowanym.

Chromian

Wykorzystywany jest do produkcji nawozów i produkcji ałunu potasowego.

Węglan

Jest używany do produkcji okularów, zwłaszcza tych używanych do produkcji telewizorów.

Bibliografia

  1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2019). Potas. Odzyskane z: en.wikipedia.org
  3. McKeehan L. W. (1922). Struktura krystaliczna potasu. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 8 (8), 254-255. doi: 10,1073 / pnas.8.8.254
  4. Masafumi Sakata i in. (2017). Strukturalne przemiany fazowe potasu w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury. J. Phys.: Conf. Ser. 950 042020.
  5. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Potas. Baza danych PubChem., CID = 5462222. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  6. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (03 maja 2019). Potas. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
  7. Królewskie Towarzystwo Chemii. (2019). Potas. Odzyskany z: rsc.org
  8. Helmenstine, dr Anne Marie (24 stycznia 2019). 10 faktów dotyczących potasu. Odzyskany z: thinkco.com
  9. Best & Taylor. (2003). Fizjologiczne podstawy praktyki lekarskiej. (13. wydanie w języku hiszpańskim). Panamerican Medical Editorial.
  10. Elm Axayacatl. (02 marca 2018). Znaczenie potasu (K) w roślinach uprawnych. Odzyskane z: blogagricultura.com
  11. Lenntech B.V. (2019). Potas. Odzyskany z: lenntech.com

Jeszcze bez komentarzy