Калий - девятнадцатый элемент периодической таблицы Менделеева, относится к щелочным металлам. Это простое вещество, которое при нормальных условиях пребывает в твердом агрегатном состоянии. Закипает калий при температуре 761 °С. Температура плавления элемента - 63 °С. Калий имеет серебристо-белую окраску с металлическим блеском.
Химические свойства калия
Калий - , обладающий высокой химической активностью, поэтому его нельзя хранить на открытом воздухе: щелочной металл моментально вступает в реакцию с окружающими веществами. Этот химический элемент относится к I группе и IV периоду таблицы Менделеева. Калий обладает всеми характерными для металлов свойствами.
Он взаимодействует с простыми веществами, к которым относятся галогены (бром, хлор, фтор, иод) и фосфор, азот и кислород. Взаимодействие калия с кислородом называется окислением. В течение этой химической реакции кислород и калий расходуются в молярном соотношении 4:1, в результате чего образуется оксид калия в количестве двух частей. Такое взаимодействие можно выразить уравнением реакции:
4К + О₂ = 2К₂О
Во время горения калия наблюдается пламя ярко-фиолетового цвета.
Такое взаимодействие считается качественной реакцией на определение калия. Реакции калия с галогенами называются в соответствии с названиями химических элементов: это фторирование, иодирование, бромирование, хлорирование. Такие взаимодействия являются реакциями присоединения. Пример - реакция между калием и хлором, в результате которой образуется хлорид калия. Для проведения такого взаимодействия берут два моля калия и один моль . В результате образуется два моля калия:
2К + СІ₂ = 2КСІ
Молекулярное строение хлорида калияПри горении на открытом воздухе калий и азот расходуются в молярном соотношении 6:1. В результате такого взаимодействия образуется нитрид калия в количестве двух частей:
6К + N₂ = 2K₃N
Соединение представляет собой кристаллы зелено-черного цвета. С фосфором калий реагирует по такому же принципу. Если взять 3 моля калия и 1 моль фосфора, получится 1 моль фосфида:
3К + Р = К₃Р
Калий реагирует с водородом, образуя гидрид:
2К + Н₂ = 2КН
Все реакции присоединения происходят при высоких температурах
Взаимодействие калия со сложными веществами
К сложным веществам, с которыми вступает в реакцию калий, относятся вода, соли, кислоты и оксиды. Так как калий - активный металл, он вытесняет атомы водорода из их соединений. Пример - реакция, происходящая между калием и соляной кислотой. Для ее проведения берется по 2 моля калия и кислоты. В результате реакции образуется 2 моля хлорида калия и 1 моль водорода:
2К + 2НСІ = 2КСІ + Н₂
Более детально стоит рассмотреть процесс взаимодействия калия с водой. Калий бурно взаимодействует с водой. Он движется по поверхности воды, его подталкивает выделяющийся водород:
2K + 2H₂O = 2KOH + H₂
В ходе реакции в единицу времени выделяется много тепла, что приводит к воспламенению калия и выделяющегося водорода. Это очень интересный процесс: при контакте с водой калий мгновенно воспламеняется, фиолетовое пламя потрескивает и быстро передвигается по поверхности воды. В конце реакции происходит вспышка с разбрызгиванием капель горящего калия и продуктов реакции.
Реакция калия с водой
Основной конечный продукт реакции калия с водой - гидроксид калия (щелочь). Уравнение реакции калия с водой:
4K + 2H₂O + O₂ = 4KOH
Внимание! Не пытайтесь повторить этот опыт самостоятельно!
При неправильном проведении эксперимента можно получить ожог щелочью. Для реакции обычно используют кристаллизатор с водой, в который помещают кусочек калия. Как только водород прекращает горение, многие хотят заглянуть в кристаллизатор. В этот момент происходит завершающая стадия реакции калия с водой, сопровождающаяся слабым взрывом и разбрызгиванием образовавшейся горячей щелочи. Поэтому в целях безопасности стоит держаться на некотором расстоянии от лабораторного стола, пока реакция не завершится полностью. вы найдете самые зрелищные опыты, которые можно проводить с детьми дома.
Строение калия
Атом калия состоит из ядра, в котором содержатся протоны и нейтроны, и электронов, вращающихся вокруг него. Количество электронов всегда равно количеству протонов, находящихся внутри ядра. При отсоединении электрона или при присоединении к атому он перестает быть нейтральным и превращается в ион. Ионы делятся на катионы и анионы. Катионы обладают положительным зарядом, анионы - отрицательным. При присоединении к атому электрона он превращается в анион; если же один из электронов покидает свою орбиту, нейтральный атом превращается в катион.
Порядковый номер калия в периодической таблице Менделеева - 19. Значит, протонов в ядре химического элемента находится тоже 19. Вывод: электронов вокруг ядра расположено 19. Количество протонов в структуре определяется так: от атомной массы отнять порядковый номер химического элемента. Вывод: в ядре калия находится 20 протонов. Калий принадлежит к IV периоду, имеет 4 «орбиты», на которых равномерно располагаются электроны, пребывающие в постоянном движении. На первой «орбите» расположены 2 электрона, на второй - 8; на третьей и на последней, четвертой «орбите», вращается 1 электрон. Этим объясняется высокий уровень химической активности калия: его последняя «орбита» не заполнена полностью, поэтому элемент стремится соединиться с другими атомами. В результате электроны последних орбит двух элементов станут общими.
Обозначается латинской буквой K (от латинского Kalium). Некоторые соединения калия (например, поташ, добывавшийся из древесной золы) были известны уже в древности; однако сам калий был открыт только в 1807 году английским химиком Гемфри Дэви, который назвал новый химический элемент «потассий» (по созвучию с уже известным поташом — карбонатом калия K 2 CO 3). В 1809 году немецкий учёный Людвиг Вильгельм Гильберт предложил название «калий» (от арабского аль-кали — поташ), которое успешно прижилось. Калий имеет огромное значение для здоровье человека, даже небольшие изменения содержания калия в организме могут повлиять на его нормальное функционирование. Давайте рассмотрим, для чего необходим калий в организме человека, чем опасен его дефицит и, наоборот, избыточная концентрация?
Для всех утро наступило, а для тебя нет? На работе аврал, а у тебя усталость, нервы на пределе? Надо взбодриться, конечно, выручить может только кофе. Закончился рабочий день, а настроение так и не улучшилось? Думаешь можно прибегнуть к алкоголю, дабы избавиться от лихого настроения, а заесть его шоколадкой? Тогда вопрос – как себя чувствуешь? Беспокоят нервы и общая усталость? Да, кофеин бодрит. Только надолго ли? Проблема уже обозначена – организм подорван злоупотреблением сладким, физическими нагрузками и спиртными напитками. В результате теряется такой ценный микроэлемент, как калий, который поддерживает наши мышцы в тонусе, вселяет в нас бодрость и обеспечивает хорошее настроение. Происходит это не «вдруг». Кофе и все мочегонные напитки просто вымывают этот микроэлемент из организма, алкоголь и сахаросодержащие продукты замедляют его усвоение.
Симптомы дефицита калия в организме
Если от незначительных прикосновений на теле появляется синяк, в мышцах стали проявляться, не известные до сих пор, болезненные ощущения – это тоже снижение присутствия калия в организме. На некоторое время избавиться от недуга можно благодаря питательному составу, в соотношении 1:1, меда и яблочного уксуса. Втирая этот раствор в больные мышцы, за счет хорошо впитываемого уксуса, ткани снабжаются калием.
К дефициту калия можно отнести и такие симптомы как, беспричинные судороги и появление лопающихся мелких кровеносных сосудов. Хочешь чувствовать себя здоровым, узнай об этом микроэлементе как можно больше. При первых же симптомах заболевания многие бегут в аптеку. Но без рекомендации специалиста лучше не принимать никаких мер. Для лечения дефицита калия в организме необходимо иметь развернутый анализ крови, так как превышение калия в организме способствует более тяжелым заболеваниям, чем его недостаток. Гиперкалиемия опасна для здоровья. Может произойти обезвоживание организма, расстройство желудка, наступить сонливость, аритмия, потеря ориентации. Такое состояние возникает при приеме противоопухолевых и некоторых противовоспалительных препаратах. Только врач назначает лечение и дает рекомендации по употреблению необходимых продуктов питания. Хочешь не обременять близких тебе людей, своими проблемами со здоровьем, принимай калий содержащие продукты.
Калий в продуктах питания
Есть чудесный рецепт, позволяющий увеличить содержание калия в организме, который был известен еще нашим бабушкам – по утрам натощак, выпивать чайную ложку меда разбавленную в стакане кипяченой воды. Сегодня он усовершенствован. Теперь рекомендуется пить столько же кипяченой воды, но с добавлением по одной чайной ложечке пчелиного меда и яблочного уксуса, так как калий именно в этих продуктах находится в наибольшем количестве. Принимать такой напиток рекомендуется в течении всего дня, перед каждым приемом пищи, небольшими глотками.
Содержание калия в значительном количестве существует не только в яблочном уксусе и меде, но и в пшеничных отрубях, и в дрожжах. Зависящая от физической активности и массы тела, суточная доля калия для каждого человека сугубо индивидуальна. Поддерживать ее не трудно, если принимать в пищу соответствующие продукты. Калий находится как в мясных, так и в растительных продуктах, это составная часть всех растений и животных. Все морские организмы получают калий из воды. Фруктовые деревья, орехи, овощные и злаковые растения извлекают его из почвы. Как пополнить организм калием, научившись разбираться в продуктах, с этим бесценным минералом? Разбиваем их на группу растений и группу животный мир.
Из растительного мира грецкие орехи и кешью проигрывают своим собратьям кураге, изюму и черносливу. В сухофруктах первенство занимают изюм, инжир и все тот же чернослив. Чтобы поддержать суточную долю калия в организме летом, достаточно включить в рацион овощи и зелень. Свежие ягоды, редис, томаты, огурцы, морковь, кабачки должны иметь предпочтение перед консервированными продуктами. Надо помнить, чтобы калий сохранялся длительное время в овощах и фруктах – мыть и чистить их желательно перед употреблением. Картофель – же, приготовленный на пару или печенный в духовке, будет полезней, чем отварной. Не оставляйте на долго резаные фрукты и овощи – в таком виде они быстро теряют калий. Для обогащения организма калием желательно использовать и фрукты: дыни, апельсины, бананы, арбузы, а разнообразить меню можно приготовив из них ягодно-фруктовые коктейли, фреши, и пюре. Зимой поддержать организм калием помогут продукты животного происхождения: творог, печень, рыба и все остальные мясомолочные продукты.
Для нормализации кислотно-щелочного баланса, поддержания водного баланса и нормализации осмотической концентрации крови в организме человека, калий всегда функционально связан с натрием и магнием. Только так сердце будет работать без нарушений, мозг будет получать достаточно кислорода и исчезнет утомляемость и хроническая усталость. Одним словом, не ждите, когда прозвучит тревожный звоночек, предупреждающий о сбое в организме, позаботьтесь о себе заранее.
Калий (лат. – Kalium, K) содержится в организме в относительно большом количестве. Поэтому его относят к жизненно важным макроэлементам. Калий формирует постоянство внутриклеточной среды, обеспечивает проведение нервных импульсов. Он регулирует кислотно-основной баланс, участвует в обмене других соединений, влияет на работу сердца, почек, желудочно-кишечного тракта (ЖКТ).
История открытия
Калийная соль, поташ, была известная людям издревле. Поташ – это карбонат калия, К 2 СО 3 . Данное вещество называли древесной или растительной щелочью, т.к. получали из золы, образующейся при сжигании древесины, богатой калием.
Поташ использовали в бытовых целях (стирка одежды, мыловарение), и в качестве минерального удобрения. Правда, в те времена растительную щелочь часто путали с минеральной щелочью, карбонатом натрия, Na 2 СО 3 .
В чистом виде калий был получен в 1807 г. Английский химик Дэви выделил этом металл путем электролиза из едкого кали, калиевой щелочи, КОН. Вновь открытый металл первоначально назвали потассием от слова поташ.
Это название сохранилось в некоторых языках и поныне. Спустя короткое время металл назвали калием от арабского аль-кали, что означает зола растений. Это название закрепилось за металлом в русском языке.
Свойства
Калий – представитель I группы IV периода таблицы элементов Менделеева, где он значится под № 19. Атомная масса К – 39. На внешней орбите калия вращается один неспаренный электрон. Поэтому калий одновалентен, K(I).
Наряду с другими металлами I группы, в т.ч. натрием, литием, цезием его относят к группе щелочных металлов. При взаимодействии с другими веществами-неметаллами щелочные металлы с легкостью отдают им свой неспаренный электрон. Поэтому они являются сильными восстановителями. Как следует из названия, эти металлы способны образовывать сильные основания, щелочи.
Внешне калий представляет собой серебристо белый легкий и легкоплавкий металл. Он легче воды – его плотность составляет 0,856 г/см 3 . Уже при температуре 63,55 0 С калий плавится, а закипает при температуре 760 0 С. Калий не только легкий, но и мягкий металл – его даже можно резать ножом. Правда, в чистом виде калий в природе не встречается.
В атомах калия внешний неспаренный электрон относительно удален от атомного ядра, и с легкостью переходит к атомам других веществ. Отсюда и более высокая химическая активность калия в сравнении с другими щелочными металлами, литием и натрием. Калий быстро окисляется на воздухе. При взаимодействии с атмосферным кислородом образуется окись, К 2 О, перекись, К 2 О 2 , и надперекись, КО 2 .
Чтобы уберечь чистый калий от окисления, его хранят под слоем масла или керосина, жидкостей, не пропускающих кислород. При взаимодействии с водой образуется едкое кали, КОН, очень сильная щелочь. Калий реагирует со всеми неметаллами, с кислотами, а также с солями других металлов.
При этом образуются калийные соли. Эти соли включены в состав многих природных минералов. Калийсодержащие минералы находятся в почве, и в растворенном виде в воде морей и озер.
По распространенности в земной коре среди всех элементов таблицы Менделеева калий находится на 7 месте, а среди всех металлов – на 5. Его процентное содержание в земной коре – 2,5%.
В растворенном виде из почвы калий проникает в ткани растений, где наряду с другими факторами он обеспечивает фотосинтез. Далее в качестве корма и пищи калий поступает в организм животных и человека.
Физиологическое действие
Калий наряду с кальцием, фосфором, натрием, хлором является для нас основным жизненно важным макроэлементом. В зависимости от пола и возраста в наших тканях содержится от 150 до 250 г. калия, что составляет примерно 0,35% от общей массы тела. Среди других макроэлементов по содержанию в организме калий занимает 3 место, уступая лишь кальцию и фосфору.
Физиологическая роль калия в значительной мере обусловлена противоречием, антагонизмом с другим электролитом, натрием (Na). Оба макроэлемента, натрий и калий, во многом сходны. Оба являются щелочными металлами, оба химически активны. Но их содержание внутри клетки и во внеклеточном пространстве неодинаково. Больше всего натрия находится снаружи клетки. Здесь его в 14 раз больше, чем внутри клетки.
У калия все с точностью до наоборот. Это внутриклеточный макроэлемент, и внутри клетки его в 35 раз больше, чем снаружи. Разумеется, такая разница или градиент ионов натрия и калия по обе стороны клеточной мембраны не может создаваться сама по себе. Должен быть некий механизм, который действует на субклеточном уровне и поддерживает трансмембранный градиент К и Na.
И такой механизм есть. Это т.н. натрий-калиевый насос или помпа. В данном случае под помпой подразумевают специфический фермент-переносчик, натрий-калиевую АТФ-азу. Суть работы этого фермента заключается в транспорте против градиента ионов натрия наружу из клетки, и калия снаружи внутрь клетки. Данный процесс именую т активным транспортом. Он отличается от пассивного транспорта, при котором движение электролитов осуществляется само по себе, по градиенту, в результате чего содержание ионов по обе стороны мембраны уравнивается.
Активный транспорт процесс т сложный, энергозависимый, и протекает в несколько этапов:
- Ионы натрия сосредотачиваются внутри клетки около мембраны, и точно так же ионы калия сосредотачиваются снаружи клетки.
- АТФ-аза фосфорилируется, отщепляет остаток фосфорной кислоты от молекулы Аденозинтрифосфата (АТФ).
- В фосфорилированном состоянии фермент захватывает 3 иона натрия, и перемещает их наружу.
- Снаружи натрий-калиевая АТФ-аза захватывает 2 иона калия.
- Далее происходит дефосфорилирование фермента натрий-калиевой АТФ-азы.
- В дефосфорилированном состоянии она перемещает ионы калия внутрь клетки.
В конечном итоге за каждый цикл 3 иона натрия перемещаются из клетки наружу, а вместо них внутрь клетки направляются 2 иона калия.
Значение натрий-калиевого насоса трудно переоценить.
- За счет того, что вместо 3 положительно заряженных ионов натрия внутрь поступают только 2 положительно заряженных иона калия, внутренняя часть мембраны становится заряженной более отрицательно по отношению к ее внешней стороне. Мембрана поляризуется, формируется разность электрических потенциалов по обе стороны клетки. Данную величину именуют трансмембранным потенциалом. Эта величина отображает электрическую активность клетки.
- Проницаемость мембраны для ионов натрия и калия непостоянна, и может изменяться. Соответственно изменяется поляризация мембраны в ту или иную сторону (деполяризация, реполяризация, гиперполяризация). Механизм изменения трансмембранного потенциала на различных участках клеточных мембран лежит в основе возникновения и проведения импульсов по нервным волокнам. Ведь нервные импульсы с физической точки зрения – не что иное, как слабые токи. И формируют эти токи калий с натрием.
- Калий является составной частью буферных систем. Это биохимические механизмы, работа которых направлена на поддержании кислотно-основного равновесия внутри клетки и во внеклеточном пространстве на постоянном уровне.
- Натрий поддерживает осмотическое или концентрационное давление, и увлекает за собой воду. Таким образом, благодаря деятельности натрий-калиевого насоса осуществляется циркуляция воды между клеткой и внеклеточным пространством. Вместе с водой наружу выводятся продукты жизнедеятельности клетки, а внутрь поступает все необходимое – глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, другие электролиты.
- Ионы калия входят в состав многих внутриклеточных ферментных систем. Эти системы обеспечивают синтез белков, гликогена, жирных кислот, и других биологически активных соединений.
Таким образом, благодаря натрий-калиевому насосу осуществляется клеточный метаболизм (обмен веществ), формируется электрическая активность клетки, и поддерживается на постоянном уровне состояние внутриклеточной среды (гомеостаз). Этот процесс непрерывен. А поскольку он осуществляется искусственно, против градиента, требуется энергия.
Каждый цикл с транспортом 2 ионов К и 3 ионов Na обеспечивается энергией, образуемой при распаде 1 молекулы АТФ. А в масштабах всего организма до трети расходуемой энергии идет на обеспечение этого процесса. Но эта энергия возобновляется при утилизации глюкозы в цикле Кребса, когда синтезируются новые молекулы АТФ. И здесь тоже не обходится без калия.
Как только натрий-калиевый механизм сбой, концентрация натрия и калия по обе стороны клеточной мембраны уравнивается. Исчезает трансмембранный потенциал, прекращаются внутриклеточные метаболические процессы. Внутри клетки вместе с натрием скапливается вода. Все это приводит к гибели клетки.
Все внутриклеточные эффекты калия позитивно отражаются на функции систем органов.
- Сердечно-сосудистая система
Калий называют сердечным элементом, и не зря. Он обеспечивает правильное распространение нервных импульсов по проводящей системе сердца, регулирует автоматизм, возбудимость и проводимость миокарда. Кроме того, он насыщает энергией клетки миокарда. Благодаря этому сердце сокращается с силой, достаточной для циркуляции крови по сосудам. Таким образом, К предотвращает сердечную недостаточность и нарушения сердечного ритма.
Кроме того, калий регулирует тонус кровеносных сосудов и нормализует артериальное давление (АД). Благодаря калию улучшается доставка крови к миокарду по коронарным (сердечным) сосудам. Тем самым К предупреждает ишемию (недостаточный приток крови) к миокарду и его гипоксию (дефицит кислорода).
- Нервная система
Благодаря трансмембранному транспорту калия генерируются импульсы в чувствительных, двигательных и вегетативных нервных волокнах. Кроме того, известно, что калий участвует в образовании ацетилхолина, нейромедиатора, обеспечивающего передачу импульсов через синапсы, контакты между телами нейронов и их отростками (аксонами).
Наряду с другими витаминами и минералами К формирует мыслительную и эмоционально-волевую сферу: улучшает память, интеллектуальные способности, устраняет негативные эмоции, нормализует сон. Кроме того, под действием калия улучшается циркуляция крови по церебральным (мозговым) сосудам, Этот макроэлемент снижает вероятность мозговой ишемии и инсульта.
- Опорно-двигательный аппарат
Благодаря калию и ацетилхолину осуществляется передача импульсов с нервных волокон на мышцы. Кроме того, калий стимулирует энергообразование в мышечной ткани, повышает мышечную силу и выносливость. А еще он укрепляет костную ткань и препятствует развитию остеопороза. Повышение прочности костей в значительной степени связано с тем, что калий способствует отложению в костной ткани другого макроэлемента, кальция.
- Пищеварительная система
Калий запускает перистальтику (волнообразные сокращения гладкой мускулатуры) ЖКТ. Кроме того, он регулирует выделение желудочного сока, сока 12-перстной кишки и поджелудочной железы, Также калий расслабляет сфинктеры (мышечные клапаны) желчного пузыря и желчевыводящий путей, и способствует отхождению желчи. А еще калий препятствует образованию камней в желчном пузыре и в желчевыводящих путях.
- Мочевыделительная система
Калий регулирует выделение почками натрия, а вместе с ним и воды. Тем самым он способствует повышению диуреза (объема выделенной мочи). Стимуляция диуреза, в свою очередь, приводит к устранению отеков и снижению АД. Кроме того, калий предупреждает камнеобразование в мочевыводящих путях.
Среди других эффектов калия – нормализация массы тела. Установлено, что этот макроэлемент способствует утилизации глюкозы, и предотвращает развитие сахарного диабета и ожирения. Кроме того, калий наряду с другими факторами укрепляет иммунитет, и тем самым повышает устойчивость организма к инфекционным заболеваниям.
Суточная потребность
Количество необходимого нам К зависит от возраста и от ряда других факторов. Поскольку калий является для нас жизненно важным макроэлементом, потребность в нем довольно велика.
Потребность в калии увеличивается при тяжелых физических нагрузках, занятиях спортом, заболеваниях ЖКТ с диареей и рвотой, сахарном диабете, других патологических состояниях.
Причины и признаки дефицита
В значительной степени к дефициту калия предрасполагает избыток натрия. Эти макроэлементы образно можно назвать родственниками-врагами. Оба они из семейства щелочных металлов, но оба конкурируют друг с другом за усваивание в организме. Чем больше усваивается натрия, или реабсорбируется его почками, тем больше калия выводится через почки. В то же время калий мало влияет на выделение натрия почками. В основе такого неравноправия лежат некоторые эволюционные предпосылки.
Наши далекие предки питались пищей, содержащей калий. И такой растительной пищи было довольно много. В то же время с поваренной солью прадавние люди были практически не знакомы. Примечательно, что до недавних пор аборигены, живущие в отдаленных от цивилизации уголках Африки, Латинской Америки, тоже не употребляли соль по простой причине ее отсутствия.
А ведь натрий для нас тоже важнейший макроэлемент. Вот организм и разработал комплексный регуляторный механизм, именуемый РААС, ренин-ангиотензин-альдостероновой системой. Эта система действует так, что натрий не выводится с мочой, а реабсорбируется в почечных канальцах. Вместе с натрием задерживается вода. Чем больше реабсорбируется натрия, тем больше теряется калия с мочой.
С развитием цивилизации многое изменилось. Поваренная соль основательно вошла в наш рацион. Мы больше не испытываем нехватки натрия, а зачастую получаем его в избыточном количестве. В то же время из-за дефицита натуральной растительной пищи калия мы получаем не так уж и много. Но РААС функционирует, как и прежде. И, как прежде, мы теряем калий и сохраняем натрий. В результате создаются условия для калиевого дефицита.
Правда, даже сейчас, несмотря на недостаток натуральной растительной пищи на нашем столе, мы получаем калий в более-менее достаточном количестве, способном покрыть физиологические нужды. Исключение составляет лишь голодание. Поэтому дефицит калия нередко формируется среди низших слоев общества, испытывающих крайнюю нужду. Еще одна причина – добровольное, т.н. «лечебное» голодание, когда осознанно исключают из рациона многие продукты, в т.ч. и богатые калием.
К дефициту калия предрасполагают физические и умственные нагрузки, психоэмоциональные стрессы. При умственных и стрессовых нагрузках активируется РААС, задерживается натрий и выводится калий. А при физическом труде большое количество калия теряется с потом. К тому же физические нагрузки тоже активируют РААС.
Нехватка калия может развиваться из-за его усиленной потери через ЖКТ и почки. При некоторых заболеваниях ЖКТ и отравлениях калий теряется с рвотой и поносом. Отравления и другие состояния, сопровождающиеся обезвоживанием, тоже приводят к потере калия. Усиленно выводится калий при некоторых неправильно проводимых медицинских мероприятиях. В качестве примеров можно привести многократные промывания желудка, очистительные клизмы.
Еще одна причина – прием лекарств. Некоторые мочегонные, например салуретики (Фуросемид) выводят с мочой натрий, а заодно и калий. После приема слабительных калий теряется через кишечник. Прием лекарств-глюкокоритикоидов, синтетических аналогов гормонов коры надпочечников, также способствует усиленному выведению К. То же самое происходит при болезни Иценко-Кушинга, сопровождающейся усиленной продукцией надпочечниками естественных глюкокортикоидов.
Аналогичное глюкокортикоидам действие оказывают другие гормоны: некоторые тропные гормоны гипофиза, тестостерон, адреналин. Поэтому не только болезнь Иценко-Кушинга, но и некоторые другие эндокринные заболевания, в частности, сахарный диабет, тиреотоксикоз, приводят к калиевому дефициту. Недостаток К часто возникает у беременных из-за изменения водно-солевого обмена и задержки натрия и воды в организме.
Еще одна распространенная причина – врожденные и приобретенные заболевания почек, сопровождающиеся нарушением их выделительной функции и усиленным выведением К с мочой. Повышение диуреза или полиурия автоматически приводит к усиленному выведению калия. Поэтому калиевый дефицит отмечается практически при всех состояниях, сопровождающихся полиурией. Прием алкоголя и кофе увеличивает диурез, и тоже сопровождается усилением выведения К через почки. А сладости ухудшают всасывание калия в кишечнике.
Недостаток калия характеризуется гипокалиемией, снижением его количества в плазме крови. Хотя калий является внутриклеточным элементом. Поэтому его уровень в плазме крови не всегда отображает истинное содержание в организме. При некоторых состояниях калий сосредоточивается внутри клеток. И тогда в плазме его мало. Однако при снижении общего количества калия в организме всегда будет отмечаться гипокалиемия.
Норма калия плазмы составляет 3,5-5 ммоль/л. Уже при показателях ниже 3,5 ммоль/л будет отмечаться общая слабость, снижение работоспособности, сонливость, депрессия. Тонус мышц снижен, часто беспокоят миалгии (мышечные боли). Уменьшается частота сердечных сокращений, пульс слабого наполнения, АД низкое. На ЭКГ появляются типичные изменения, характерные для гипокалиемии. На первых порах повышается диурез.
В дальнейшем, по мере усугубления гипокалиемии развиваются мышечные судороги, появляется дрожание конечностей. Полиурия сменяется олигоанурией – снижением, или даже полным отсутствием диуреза. Появляются отеки мягких тканей, учащается пульс, повышается АД. При хронической недостаточности калия снижается сократительная способность миокарда, который претерпевает дистрофические изменения с исходом в сердечную недостаточность. И это тоже способствует формированию отеков.
Кроме того, повышается риск сахарного диабета. Замедляется перистальтика кишечника. Расстройства пищеварения сопровождаются метеоризмом и неустойчивым стулом. В особо тяжелых случаях возможно полное прекращение перистальтики (парез кишечника) с развитием паралитической кишечной непроходимости. При дальнейшем прогрессирования патологии развиваются параличи скелетных мышц.
На коже и на слизистых оболочках появляются эрозивные и язвенные дефекты. Нарушается ритм сердца. Причем сердечные аритмии принимают угрожающий жизни характер, и могут закончиться фатально. Смерть наступает от внезапной остановки сердца. Характерная черта: сердечная деятельность прекращается в фазу систолы, сокращения. Особенно велика опасность аритмий у пациентов, принимающих сердечные гликозиды для лечения сердечной недостаточности. Эти препараты снижают количество калия в клетках миокарда.
В редких случаях дефицит калия связан с другим веществом, цезием (Cs). Это тоже щелочной металл. Поэтому цезий конкурирует с калием за всасывание и поступление в организм. Правда, самого цезия в природе не так уж и много. Опасность представляет его радиоактивный изотоп Cs 137 .
Он образуется во время ядерных испытаний и сжигания топлива в реакторах АЭС. Поступая во внешнюю среду, этот цезиевый изотоп накапливается растениями вместо калия. Вместе с растительными продуктами он поступает в организм человека. Даже в микродозах радиоактивный цезий угнетает физиологические эффекты калия. При этом развиваются тяжелые поражения скелетных мышц, миокарда, ЖКТ и нервной системы.
Источники поступления
Калий поступает к нам преимущественно в составе растительной пищи, и в меньшей степени с животной пищей, в основном с рыбой и морепродуктами.
Содержание калия в 100 г пищевых продуктов:
| Продукт | Содержание, мг/100 г |
| Курага | 1715 |
| Абрикос | 306 |
| Персик | 203 |
| Цитрусовые | 180-197 |
| Банан | 379 |
| Чернослив | 867 |
| Зеленый горошек | 870 |
| Соя | 1607 |
| Фасоль | 307 |
| Миндаль | 750 |
| Изюм | 860 |
| Салат, петрушка | 340 |
| Фундук | 717 |
| Арахис | 660 |
| Свекла | 258 |
| Картофель | 568 |
| Пекинская капуста | 494 |
| Морская капуста | 970 |
| Брюссельская капуста | 494 |
| Цветная капуста | 176 |
| Лосось | 490 |
| Мидии | 310 |
| Треска | 340 |
| Тунец | 298 |
| Говядина | 325 |
| Кабачок | 176 |
| Баклажаны | 238 |
| Морковь | 195 |
| Томаты | 213 |
| Огурцы | 153 |
| Арбуз | 117 |
| Дыня | 118 |
Калий хорошо сохраняется в продуктах при их длительном хранении. Вместе с тем, при контакте пищи с водой он быстро переходит в нее. Поэтому желательно получать калий из сырых продуктов, а при их термической обработке нужно руководствоваться некоторыми правилами. При варке их следует опускать в уже кипящую воду, и варить в течение короткого времени в небольшом объеме воды. Рыбу и мясо желательно запекать.
Синтетические аналоги
Калий присутствует во многих лекарственных формах для инъекционного введения и приема внутрь. Самые известные калийсодержащие препараты – Панангин и Аспаркам. Это комбинированные средства, которые содержат калия и магния аспарагинат. Содержание калия аспарагината в Аспаркаме – 175 мг, а в Панангине – 145 мг.
Таблетки Панангина и Аспаркама содержат по 10,33 мг калия аспарагината. Еще один источник калия – 0,75% и 4% раствор калия хлорида (KCl). Калий для приема внутрь в основном представлен комплексными препаратами. Наряду с калием эти препараты (Центрус, Виталюкс, Витрум) содержат другие витамины и минералы.
Другое комбинированное средство – Калия оротат, калиевая соль Оротовой кислоты или вит. В 13 . Препараты калия показаны при многих водно-электролитных нарушениях, сопровождающихся гипокалиемией. Само собой разумеется, инъекционное введение более предпочтительно, чем прием внутрь. К тому же инъекционные средства удобнее использовать в кардиологической практике при инфаркте миокарда, аритмиях, т.к. они помогают добиться желаемого результата в кратчайшие сроки, здесь и сейчас.
Но при введении калийсодержащих растворов нужно быть крайне осторожным. Они раздражают венозные стенки, и вызывают ее воспаление, флебиты. Но самое страшное даже не в этом. Быстрый подъем уровня калия в плазме крови чреват опасными осложнениями вплоть до остановки сердца. Поэтому калийсодержащие средства вводят не струйно, а капельно в составе поляризующей смеси с 5% раствором глюкозы и инсулином. Благодаря инсулину сахар, а вместе с ним и калий, проникает из плазмы крови в клетки тканей.
Метаболизм
Поступивший извне калий всасывается в тонком кишечнике. Всасываемость довольно большая – 95%, . Остальные 5% выводятся с калом. Но это соотношение может изменяться при заболеваниях ЖКТ, сопровождающихся ухудшением всасывательной способности кишечника и диареей.
Поскольку калий является внутриклеточным макроэлементом, его содержание в плазме всего 1%. Некоторая часть калия сосредоточена в лимфе, в кишечном секрете, и в других внеклеточных средах. Но и здесь его количество невелико. Основная часть, около ном с 90%, калия находится внутри клеток. Больше всего внутриклеточного калия содержится в тканях с максимальной функциональной нагрузкой. Это мозг, миокард, кости и скелетные мышцы.
Некоторые факторы влияют на соотношение внутриклеточного и внеклеточного калия. Прежде всего, это кислотно-основное состояние. Сдвиг обменных процессов в сторону повышения кислотности и снижения рН (метаболический ацидоз) сопровождается массивным выходом калия из клеток. При сдвиге обмена веществ в щелочную сторону (метаболический алкалоз, увеличение рН) наоборот, калий направляется внутрь клеток, и его концентрация в плазме крови снижается.
Инсулин активирует натрий-калиевую АТФ-азу, в результате чего калий «прячется» внутрь клеток. При физических нагрузках наоборот, происходит выход калия во внеклеточное пространство. Повышение количества калия в плазме крови увеличивает ее концентрацию или осмолярность. Некоторые состояния сопровождаются обезвоживанием или дегидратацией ткани. При этом вода из клеток переходит во внеклеточное пространство. А вместе с водой перемещается и калий. Стимуляция альфа-адренергических рецепторов сопровождается выходом калия из клеток, а бета-адренергических – его внутриклеточным перемещением.
В свою очередь, калий в немалой степени влияет на кислотно-основное состояние тканей. Правда, механизм влияния довольно сложный, и включает в себя множество факторов. Суть его заключается в том, что при снижении уровня калия усиливается выделение ионов водорода с мочой.
В результате кислотность мочи повышается, а в тканях наоборот, формируется метаболический алкалоз. При избытке калия картина зеркальная – замедляется выделение водорода, ощелачивается моча, и развивается метаболический ацидоз. Всего через почки с мочой выделяется 90% калия, а остальные 10% – через кожу с потом.
Взаимодействие с другими веществами и препаратами
Калий способствует усваиванию магния, но в некоторой степени выводит натрий. В свою очередь, натрий усиливает выведение калия почками. Поэтому прием поваренной соли способствует потере калия. Учитывая антагонизм этих макроэлементов, соотношение K:Na в комбинированных препаратах должно составлять 2:1 в сторону увеличения калия. Некоторые другие элементы, в частности, таллий, цезий, рубидий, способны вытеснять К.
Калий хорошо сочетается со многими витаминами, в т.ч. с вит. В 6 (Пиридоксином) и вит. В 13 , (Оротовой кислотой). Инсулин способствует транспорту К внутрь клетки. Сердечные гликозиды наоборот, снижают содержание К в волокнах миокарда, т.к. угнетают натрий-калиевую АТФ-азу. насос. Алкоголь, сладости, кофе ухудшают всасывание калия или усиливают его выведение с мочой.
Признаки избытка
Для избытка калия в организме необходимы два условия: поступление его извне в больших количествах, или замедление выведения из организма. Калий поступает к нам в составе пищевых продуктов и лекарств. Правда, богатая калием еда сама по себе вряд ли сможет привести к его избытку. Ведь К сразу же выводится с мочой.
А вот передозировка калийсодержащих препаратов, при которой в единицу времени поступает большое количество этого макроэлемента, может закончиться плачевно, и даже фатально. При заболеваниях, сопровождающихся нарушением выделительной функции почек, при почечной недостаточности, замедляется выделение калия, и он накапливается в организме.
Кроме того, выделение калия регулируется альдостероном. Этот надпочечниковый гормон задерживает натрий, и усиливает выведение натрия. Поэтому при сниженной продукции альдостерона надпочечниками (гипоальдостеронизме) наоборот, калий будет накапливаться, а натрий выводиться почками. Причины этого состояния: некоторые заболевания надпочечников, гипофиза.
Гипоальдостеронизм может быть следствием приема ряда лекарств. На угнетении синтеза альдостерона основано действие ИАПФ, ингибиторов ангиотензинпревращающего фермента, используемых в лечении гипертонической болезни. Гепарин также снижает продукцию альдостерона. Антагонистом альдостерона является мочегонный препарат Спиронолактон.
Избыток калия в организме проявляется повышением количества калия в плазме крови, гиперкалиемией. Норма содержания калия в крови – 3,5-5 ммоль/л. Правда, этот показатель не всегда отображает истинное содержание К в организме. Ведь это внутриклеточный элемент. Поэтому все состояния, сопровождающиеся перераспределением К из клеток во внеклеточное пространство, будут сопровождаться гиперкалиемией. Однако при этом общее количество калия в организме будет неизменным.
Гиперкалиемия будет развиваться при всех состояниях, сопровождающихся цитолизом, массивным повреждением клеток. Это травмы, ожоги, оперативные вмешательства, онкозаболевания и лучевая терапия этих заболеваний. Повышение уровня К в плазме крови будет отмечаться при инфарктах, мозговых инсультах, при гепатитах, а также при гемолизе, разрушении большого количества эритроцитов.
Перераспределение калия возможно при физических нагрузках, при некоторых интоксикациях, в т.ч. и при алкогольной. Бета-адреноблокаторы для лечения гипертонической болезни вызывают такой же эффект. Гиперкалиемия возникает при всех состояния, сопровождающихся метаболическим ацидозом.
Гиперкалиемия проявляется общей слабостью, беспокойством, тревогой, повышенной возбудимостью. Отмечаются тянущие боли в мышцах, парестезии. Аппетит снижен, пациенты жалуются на спастические боли в животе, диарею. Сахар крови зачастую повышен. Дирурез тоже повышен. Среди других признаков – интенсивное потоотделение, дрожание конечностей. Из-за изменения биоэлектрической активности сердца нарушается сердечный ритм.
Развивается атриовентрикулярная блокада, фибрилляция желудочков и желудочковая тахикардия. Все эти симптомы появляются при уровне К выше верхней границы 5 ммоль/л. Дальнейшее прогрессирование гиперкалиемии свыше 7 ммоль/л приводит к угнетению сознания, мышечным судорогам и параличам. Смерть наступает гот остановки сердца. Характерная особенность: сердце при гиперкалиемии останавливается в фазу диастолы, расслабления.
При гиперкалиемии отменяют все препараты, содержащие калий или способствующие его переходу во внеклеточное пространство. Показаны внутривенные инъекции кальция хлорида и глюконата. Но кальций оправдан далеко не во всех случаях. Отличное средство при гиперкалиемии – внутривенные капельные вливания инсулина с глюкозой, способствующие переходу калия внутрь клетки. Для борьбы с метаболическим ацидозом назначают ощелачивающие растворы.
КАЛИЙ (латинский Kalium), К, химический элемент I гpyппы короткой формы (1-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 19; атомная масса 39,0983; относится к щелочным металлам. Природный калий состоит из трёх изотопов: 39 К (93,2581%), 40 К (0,0117%; слаборадиоактивный, Т 1/2 1,277·10 9 лет, β-распад до 40 Са), 41 К (6,7302%). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 32-54.
Историческая справка. Некоторые соединения калия были известны в древности, например калия карбонат К 2 СО 3 (так называемая растительная щёлочь) выделяли из древесной золы и использовали при варке мыла. Металлический калий впервые получил Г. Дэви в 1807 электролизом влажного твёрдого гидроксида КОН и назвал потассием (английский potassium от английский potash - название карбоната калия). В 1809 году было предложено название «калий» (от арабского аль-кали - поташ). Название «потассий» сохранилось в Великобритании, США, Франции и других странах. В России с 1840 употребляют название «калий», принятое также в Германии, Австрии, Скандинавских странах.
Распространённость в природе . Содержание калия в земной коре составляет 2,6% по массе. В свободном состоянии калий в природе не встречается. В значительных количествах калий содержится в силикатах нефелине и лейците, полевых шпатах (например, в ортоклазе), слюдах (например, в мусковите). Собственные минералы калия - сильвин, сильвинит, карналлит, каинит, лангбейнит K 2 SО 4 ∙2MgSО 4 образуют большие скопления природных калийных солей. В результате действия воды и диоксида углерода калий переходит в растворимые соединения, которые частично уносятся в моря, частично удерживаются почвой. Соли калия содержатся также в рапе соляных озёр и подземных рассолах.
Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома калия 4s 1 ; в соединениях проявляет степень окисления +1; энергии ионизации К 0 →К + →К 2+ соответственно равны 4,3407 и 31,8196 эВ; электроотрицательность по Полингу 0,82; атомный радиус 220 пм, радиус иона К + 152 пм (координационное число 6).
Калий - серебристо-белый мягкий металл; кристаллическая решётка кубическая объёмноцентрированная; t пл 63,38 °С, t кип 759 °С, плотность 856 кг/м 3 (20 °С); теплоёмкость 29,60 Дж/(моль·К) при 298 К.
Калий поддаётся прессованию и прокатыванию, легко режется ножом и сохраняет пластичность при низких температурах; твёрдость по Бринеллю 0,4 мПа.
Калий - металл высокой химической активности (калий хранят под слоем бензина, керосина или минерального масла). При нормальных условиях калий взаимодействует с кислородом (образуется оксид К 2 О, пероксид К 2 О 2 , надпероксид КО 2 - основной продукт), галогенами (соответствующие калия галогениды), при нагревании - с серой (сульфид К 2 S), селеном (селенид К 2 Se), теллуром (теллурид К 2 Те), с фосфором в атмосфере азота (фосфиды К 3 Р и К 2 Р5), углеродом (слоистые соединения состава КС 8 - КС 60), водородом (гидрид КН). С азотом калий взаимодействует только при воздействии электрического разряда (в небольшом количестве образуются азид KN 3 и нитрид К 3 N). Калий взаимодействует с некоторыми металлами, образуя интерметаллиды или твёрдые растворы (сплавы калия). Наибольшее практическое значение имеют сплавы с натрием, отличающиеся высокой химической активностью; получают сплавлением металлов в инертной атмосфере или при действии металлического натрия на гидроксид КОН или хлорид КСl.
Металлический калий - сильный восстановитель: энергично (при нормальных условиях - со взрывом и воспламенением металла) реагирует с водой (образуется калия гидроксид КОН), бурно (иногда со взрывом) реагирует с кислотами (образуются соответствующие соли, например калия дихромат, калия нитрат, калия перманганат, калия фосфаты, калия цианид), восстанавливает оксиды В, Si, Al, Ag, Bi, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sn, Ti до элементов; сульфаты, сульфиты, нитраты, нитриты, карбонаты и фосфаты других металлов - до оксидов соответствующих металлов. Металлический калий медленно растворяется в жидком аммиаке, при этом образуется тёмно-синий раствор с металлической проводимостью; растворённый металл постепенно реагирует с аммиаком с образованием амида: 2К + 2NH 3 = 2KNH 2 + Н 2 . Калий взаимодействует с различными органическими соединениями: спиртами (образуются алкоголяты, например этилат С 2 Н 5 ОК), ацетиленом (ацетилениды КС≡СН и КС≡СК), алкилгалогенидами (калийалкилы, например этилкалий С 2 Н 5 К) и арилгалогенидами (калийарилы, например фенилкалий С 6 Н 5 К). Металлический калий инициирует реакции полимеризации алкенов и диенов. С N- и О-донорными полициклическими лигандами (краун-эфирами, криптандами и другими ионофорами) калий образует комплексные соединения.
При работе с калием необходимо учитывать его высокую реакционную способность, в том числе способность загораться при контакте с водой. В целях безопасности необходимо использовать резиновые перчатки, защитные очки или маску. С большим количеством калия следует работать в специальных камерах, в инертной атмосфере (аргон, азот). Для тушения горящего калия применяют поваренную соль NaCl или кальцинированную соду Na 2 СО 3 .
Биологическая роль . Калий относится к биогенным элементам. Суточная потребность человека в калии около 2 г. В живых организмах ионы калия играют важную роль в процессах регуляции обмена веществ, в частности, транспорта ионов через клеточные мембраны (смотри, например, в статье Ионные насосы).
Получение . В промышленности калий получают восстановлением расплавленного гидроксида КОН или хлорида КСl металлическим натрием в противоточной колонне с последующей конденсацией паров калия. Перспективны вакуум-термические способы получения калия, основанные на восстановлении хлорида КСl при нагревании смесью алюминия или кремния с оксидом кальция (6КСl + 2Al + 4СаО = 6К + ЗСаСl 2 + СаО·Аl 2 О 3 или 4КСl + Si + 4СаО = 4К + 2CaCl 2 + 2CaО∙SiО 2), а также способ, основанный на получении сплава калия со свинцом электролизом карбоната К 2 СО 3 или хлорида КСl с расплавленным свинцовым катодом и последующей отгонке из сплава калия. Объём мирового производства калия около 28 т/год (2004).
Применение . Металлический калий - материал электродов в химических источниках тока, катализатор в процессах получения синтетического каучука. Широко применяют различные соединения калия: пероксид К 2 О 2 и надпероксид КО 2 - компоненты составов для регенерации кислорода (на подводных лодках, космических кораблях и в других закрытых помещениях), гидрид КН - восстановитель в химическом синтезе, сплав калия с натрием (10-60% Na по массе, жидкий при комнатной температуре) - теплоноситель в ядерных реакторах, восстановитель в производстве титана, реагент для очистки газов от кислорода и паров воды; соли калия используют в качестве калийных удобрений, компонентов моющих средств. Комплексы калия с ионофорами являются моделями для изучения транспорта ионов калия через клеточные мембраны. Радиоизотоп 42 К (Т 1/2 12,36 ч) применяют как радиоактивный индикатор в химии, медицине и биологии.
Лит.: Натрий и калий. Л., 1959; Степин Б. Д., Цветков А. А. Неорганическая химия. М., 1994; Неорганическая химия: химия элементов / Под редакцией Ю. Д. Третьякова. М., 2004. Т. 2.
Содержание статьи
КАЛИЙ (Kalium) K, химический элемент 1 (Ia) группы Периодической системы, относится к щелочным элементам. Атомный номер 19, атомная масса 39,0983. Состоит из двух стабильных изотопов 39 K (93,259%) и 41 K (6,729%), а также радиоактивного изотопа 40 K с периодом полураспада ~10 9 лет. Этот изотоп играет в природе особую роль. Его доля в смеси изотопов составляет всего 0,01%, однако именно он является источником практически всего содержащегося в земной атмосфере аргона 40 Ar, который образуется при радиоактивном распаде 40 K. Кроме того, 40 K присутствует во всех живых организмах, что, возможно, оказывает определенное влияние на их развитие.
Изотоп 40 K служит для определения возраста горных пород калий-аргоновым методом. Искусственный изотоп 42 K с периодом полураспада 15,52 года используется в качестве радиоактивного индикатора в медицине и биологии.
Степень окисления +1.
Соединения калия известны с древних времен. Поташ – карбонат калия K 2 CO 3 – издавна выделяли из древесной золы.
Металлический калий был получен электролизом расплавленного едкого кали (KOH) в 1807 английским химиком и физиком Гемфри Дэви. Название «potassium», выбранное Дэви, отражает происхождение этого элемента из поташа. Латинское название элемента образовано от арабского названия поташа – «аль-кали». В русскую химическую номенклатуру слово «калий» введено в 1831 петербургским академиком Германом Гессом (1802–1850).
Распространение калия в природе и его промышленное извлечение.
Большие отложения солей калия в сравнительно чистом виде образовались в результате испарения древних морей. Наиболее важными минералами калия для химической промышленности являются сильвин (KCl) и сильвинит (смешанная соль NaCl и KCl). Калий встречается также в виде двойного хлорида KCl·MgCl 2 ·6H 2 O (карналлит) и сульфата K 2 Mg 2 (SO 4) 3 (лангбейнит). Массивные слои солей калия были впервые обнаружены в Стассфурте (Германия) в 1856. Из них с 1861 по 1972 в промышленных масштабах добывали поташ.
Океанская вода содержит около 0,06% хлорида калия. В некоторых внутренних водоемах, таких как озеро Солт-Лейк или Мертвое море, его концентрация может достигать 1,5%, что делает экономически целесообразной добычу элемента. В Иордании построен огромный завод, способный добывать миллионы тонн солей калия из Мертвого моря.
Хотя натрий и калий почти одинаково распространены в горных породах, в океане калия примерно в 30 раз меньше, чем натрия. Это связано, в частности, с тем, что соли калия, содержащие больший катион, менее растворимы, чем соли натрия, и калий более прочно связывается в комплексных силикатах и алюмосиликатах в почве за счет ионного обмен в глинах. Кроме того, калий, который выщелачивается из горных пород, в большей степени поглощается растениями. Подсчитано, что из тысячи атомов калия, освобождающихся при химическом выветривании, только два достигают морских бассейнов, а 998 остаются в почве. «Почва поглощает калий, и в этом ее чудодейственная сила», – писал академик Александр Евгеньевич Ферсман (1883–1945).
Калий является важным элементом жизни растений, и развитие диких растений часто ограничивается доступностью калия. При недостатке калия растения медленнее растут, их листья, особенно старые, желтеют и буреют по краям, стебель становится тонким и непрочным, а семена теряют всхожесть. Плоды такого растения – это особенно заметно на фруктах – будут менее сладкими, чем у растений, получивших нормальную дозу калия. Недостаток калия возмещают удобрениями.
Калийные удобрения являются основным видом калиесодержащей продукции (95%). Больше всего используется KCl, на его долю приходится более 90% калия, используемого в качестве удобрений.
Мировое производство калийных удобрений в 2003 оценено в 27,8 млн т (в пересчете на K 2 O, содержание калия в калийных удобрениях принято пересчитывать на K 2 O). Из них 33% было произведено в Канаде. По 13% мирового производства калийных удобрений приходится на производственные объединения «Уралкалий» и «Беларуськалий».
Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического калия.
Калий – мягкий серебристо-белый металл с температурой плавления 63,51° С и температурой кипения 761° С. Придает пламени характерную красно-фиолетовую окраску, что связано с легкостью возбуждения его внешних электронов.
Химически очень активен, легко взаимодействует с кислородом, при нагревании на воздухе загорается. Основным продуктом этой реакции является надпероксид калия KO 2 .
С водой и разбавленными кислотами калий взаимодействует со взрывом и воспламенением. Серную кислоту восстанавливает до сероводорода, серы и диоксида серы, а азотную – до оксидов азота и N 2 .
При нагревании до 200–350° С калий реагирует с водородом с образованием гидрида KH. Металлический калий воспламеняется в атмосфере фтора, слабо взаимодействует с жидким хлором, но взрывается при соприкосновении с бромом и растирании с иодом. Калий реагирует с халькогенами и фосфором. С графитом при 250–500° С он образует слоистые соединения состава C 8 K–C 60 K.
Калий растворяется в жидком аммиаке (35,9 г в 100 мл при –70° С) с образованием ярко-голубых метастабильных растворов с необычными свойствами. Впервые это явление наблюдал, по-видимому, сэр Гемфри Дэви в 1808. Растворы калия в жидком аммиаке широко изучались с того момента, как они были получены Т.Вейлем в 1863.
Калий не растворяется в жидких литии, магнии, кадмии, цинке, алюминии и галлии и не реагирует с ними. С натрием образует интерметаллическое соединение KNa 2 , которое плавится с разложением при 7° С. С рубидием и цезием калий дает твердые растворы с минимальными температурами плавления около 35° С. С ртутью он образует амальгаму, содержащую два меркурида KHg 2 и KHg с температурами плавления 270 и 180° С, соответственно.
Калий энергично взаимодействует со многими оксидами, восстанавливая их до простых веществ. Со спиртами он образует алкоголяты.
В отличие от натрия, калий не удается получать электролизом расплава хлорида, так как калий очень хорошо растворяется в расплавленном хлориде и не всплывает на поверхность. Дополнительную трудность создает образование надпероксида, который реагирует с металлическим калием с взрывом, поэтому способ промышленного производства металлического калия заключается в восстановлении расплавленного хлорида калия металлическим натрием при 850° С.
Восстановление хлорида калия натрием, на первый взгляд, противоречит обычному порядку реакционной способности (калий более реакционноспособен, чем натрий). Однако, при 850–880° С устанавливается равновесие:
Na(г) + K + (ж) Na + (ж) + K(г)
Так как калий более летуч, он испаряется раньше, это смещает равновесие и способствует протеканию реакции. Фракционной перегонкой в насадочной колонне можно получить калий 99,5%-ной чистоты, но обычно для перевозки используют смесь калия с натрием. Сплавы, содержащие 15–55% натрия, являются (при комнатной температуре) жидкими, поэтому их легче транспортировать.
Иногда калий восстанавливают из хлорида другими элементами, образующими устойчивые оксиды:
6KCl + 2Al + 4CaO = 3CaCl 2 + CaO·Al 2 O 3 + 6K
Металлический калий, производство которого является более трудным и дорогим, чем производство натрия, вырабатывается в гораздо меньших количествах (мировое производство составляет около 500 т в год). Одна из важнейших областей применения – получение надпероксида KO 2 прямым сжиганием металла.
Металлический калий используют как катализатор в производстве некоторых видов синтетического каучука, а также в лабораторной практике. Сплав калия с натрием служит теплоносителем в атомных реакторах. Он же является восстановителем в производстве титана.
Калий вызывает сильные ожоги кожи. При попадании даже мельчайших его крошек в глаза возможна потеря зрения. Загоревшийся калий заливают минеральным маслом или засыпают смесью талька и хлорида натрия.
Хранят калий в герметически закрытых коробках под слоем обезвоженного керосина или минерального масла. Отходы калия утилизируют обработкой их сухим этанолом или пропанолом с последующим разложением образовавшихся алкоголятов водой.
Соединения калия.
Калий образует многочисленные бинарные соединения и соли. Почти все соли калия хорошо растворимы. Исключениями являются:
KHC 4 H 4 O 6 – гидротартрат калия
KClO 4 – перхлорат калия
K 2 Na·6H 2 O – гидрат гексанитрокобальтата(III) натрия-дикалия
K 2 – гексахлороплатинат(IV) калия
Оксид калия K 2 O образует желтоватые кристаллы. Его получают при нагревании калия с гидроксидом, пероксидом, нитратом или нитритом калия:
2KNO 2 + 6K = 4K 2 O + N 2
Используют также нагревание смеси азида калия KN 3 и нитрита калия или окисление калия, растворенного в жидком аммиаке, рассчитанным количеством кислорода.
Оксид калия – активатор губчатого железа, которое используется как катализатор в синтезе аммиака.
Пероксид калия K 2 O 2 получить из простых веществ сложно, так как он легко окисляется до надпероксида KО 2 , оэтому используют окисление металла с помощью NO. Однако наилучшим методом его получения является количественное окисление металла, растворенного в жидком аммиаке.
Пероксид калия можно рассматривать как соль двухосновной кислоты Н 2 О 2 . Поэтому при его взаимодействии с кислотами или водой на холоде количественно образуется пероксид водорода.
Надпероксид калия KO 2 (оранжевый) образуется при обычном сжигании металла на воздухе. Это соединение используется как запасной источник кислорода в дыхательных масках в шахтах, подводных лодках и космических кораблях.
При осторожном термическом разложении KO 2 образуется полуторный оксид «K 2 О 3 » в виде темного парамагнитного порошка Его можно получить также окислением металла, растворенного в жидком аммиаке, или контролируемым окислением пероксида. Предполагается, что он является динадпероксид-пероксидом [(K +) 4 (O 2 2–)(O 2 –) 2 ].
Озонид калия KО 3 можно получить при действии озона на безводный порошок гидроксида калия при низкой температуре с последующей экстракцией продукта (красного цвета) жидким аммиаком. Он используется в качестве компонента составов для регенерации воздуха в замкнутых системах.
Гидроксид калия KOH – сильное основание, относится к щелочам. Его традиционное название «едкое кали» отражает разъедающее действие этого вещества на живые ткани.
В промышленности гидроксид калия получают электролизом водных растворов хлорида или карбоната калия с железным или ртутным катодом (мировое производство составляет около 0,7 млн. т в год). Гидроксид калия можно выделить из фильтрата после отделения осадков, образующихся при взаимодействии карбоната калия с гидроксидом кальция или сульфата калия с гидроксидом бария.
Гидроксид калия применяют для получения жидкого мыла и различных соединений калия. Кроме того, он служит электролитом в щелочных аккумуляторах.
Фторид калия KF образует редкий минерал кароббиит. Получают фторид калия взаимодействием водных растворов фтороводорода или фторида аммония с гидроксидом калия или его солями.
Применяют фторид калия для синтеза различных фторсодержащих соединений калия, как фторирующий агент в органическом синтезе, а также как компонент кислотоупорных замазок и специальных стекол.
Хлорид калия KCl встречается в природе. Сырьем для его выделения служат сильвин, сильвинит, карналлит.
Из сильвинита хлористый калий получают методами галургии и флотации. Галургия (в переводе с греческого – «соляное дело») включает изучение состава и свойств природного солевого сырья и разработку способов промышленного получения из него минеральных солей. Галургический метод разделения основан на различной растворимости KCl и NaCl в воде при повышенных температурах. При нормальной температуре растворимость хлоридов калия и натрия почти одинакова. С повышением температуры растворимость хлорида натрия почти не меняется, а растворимость хлорида калия резко возрастает. На холоде готовят насыщенный раствор обеих солей, затем его нагревают и обрабатывают им сильвинит. При этом раствор дополнительно насыщается хлоридом калия, а часть хлорида натрия вытесняется из раствора, выпадает в осадок и отделяется фильтрованием. Раствор охлаждают, и из него выкристаллизовывается избыточный хлорид калия. Кристаллы отделяют на центрифугах и сушат, а маточный раствор идет на обработку новой порции сильвинита. Для выделения хлорида калия этот метод используется шире метода флотации, который базируется на разной смачиваемости веществ.
Хлорид калия является наиболее распространенным калийным удобрением. Кроме использования в качестве удобрений, он применяется, в основном, для производства гидроксида калия электролизом. Из него получают и другие соединения калия.
Бромид калия KBr получают взаимодействием брома с гидроксидом калия в присутствии аммиака, а также реакциями брома или бромидов с солями калия.
Бромид калия широко используется в фотографии. Он часто служит источником брома в органическом синтезе. Раньше бромид калия применялся как седативное средство в медицине («бром»). Монокристаллы бромида калия используют при изготовлении призм для ИК-спектрометров, а также в качестве матрицы при снятии ИК спектров твердых веществ.
Иодид калия KI образует бесцветные кристаллы, которые на свету приобретают желтоватую окраску за счет окисления кислородом воздуха и выделения иода. Поэтому иодид калия хранят в склянках из темного стекла.
Получают иодид калия взаимодействием иода с гидроксидом калия в присутствии муравьиной кислоты или пероксида водорода, а также обменными реакциями иодидов с солями калия. Он окисляется азотной кислотой до иодата калия KIO 3 . Иодид калия взаимодействует с иодом с образованием растворимого в воде комплекса K, а с хлором и бромом дает, соответственно, K и K.
Иодид калия применяется в качестве лекарственного средства в медицине и ветеринарии. Он является реактивом в иодометрии. Иодид калия – противовуалирующее вещество в фотографии, компонент электролита в электрохимических преобразователях, добавка для повышения растворимости иода в воде и полярных растворителях, микроудобрение.
Сульфид калия K 2 S хорошо растворим в воде. При гидролизе создает в растворе щелочную среду:
K 2 S = 2K + + S 2– ; S 2– + H 2 O HS – + OH –
Сульфид калия легко окисляется на воздухе, при поджигании сгорает. Получают его взаимодействием калия или карбоната калия с серой без доступа воздуха, а также восстановлением сульфата калия углеродом.
Сульфид калия является компонентом светочувствительных эмульсий в фотографии. Его используют как аналитический реагент для разделения сульфидов металлов и как компонент составов для обработки шкур.
При насыщении водного раствора сероводородом образуется гидросульфид калия KHS, который можно выделить в виде бесцветных кристаллов. Его применяют в аналитической химии для разделения тяжелых металлов.
Нагреванием сульфида калия с серой получают желтые или красные полисульфиды калия KS n (n = 2–6). Водные растворы полисульфидов калия можно получить кипячением растворов гидроксида или сульфида калия с серой. При спекании карбоната калия с избытком серы на воздухе образуется так называемая серная печень – смесь KS n и K 2 S 2 O 3 .
Применяют полисульфиды для сульфидирования стали и чугуна. Серная печень используется как лекарственное средство для лечения кожных заболеваний и как пестицид.
Сульфат калия K 2 SO 4 встречается в природе в месторождениях калийных солей и в водах соленых озер. Его можно получить обменной реакцией между хлоридом калия и серной кислотой или сульфатами других элементов.
Сульфат калия применяют как удобрение. Это вещество более дорогое, чем хлорид калия, но не гигроскопичное и не слеживающееся, в отличие от хлорида калия, сульфат калия можно применять на любых почвах, в том числе и засоленных.
Из сульфата калия получают квасцы и другие соединения калия. Он входит в состав шихты в производстве стекла.
Нитрат калия KNO 3 – сильный окислитель. Его часто называют калийной селитрой. В природе образуется при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.
Получают нитрат калия обменной реакцией между хлоридом калия и нитратом натрия, а также действием азотной кислоты или нитрозных газов на карбонат или хлорид калия.
Нитрат калия – отличное удобрение, содержащее одновременно калий и азот, однако применяется меньше, чем хлорид калия, из-за высокой стоимости производства. Нитрат калия используется и для изготовления черного пороха и пиротехнических составов, в производстве спичек и стекла. Кроме того, он применяется при консервировании мясных продуктов.
Карбонат калия K 2 CO 3 называют также поташом. Получают при действии диоксида углерода на растворы гидроксида калия или суспензии карбоната магния в присутствии хлорида калия. Является побочным продуктом при переработке нефелина в глинозем.
Значительное количество карбоната калия содержится в растительной золе. Больше всего калия в золе подсолнечника – 36,3%. В золе дров оксида калия значительно меньше – от 3,2% (еловые дрова) до 13,8% (березовые дрова). Еще меньше калия в золе торфа.
Карбонат калия используется, главным образом, для производства высококачественного стекла, используемого в оптических линзах, трубках цветных телевизоров и флуоресцентных лампах. Применяется и в производстве фарфора, красителей и пигментов.
Перманганат калия KMnO 4 образует темно-фиолетовые кристаллы. Растворы этого вещества имеют красно-фиолетовый цвет. Перманганат калия получают анодным окислением марганца или ферромарганца в сильно щелочной среде.
Перманганат калия – сильный окислитель. Его используют как обесцвечивающее, отбеливающее и очищающее средство. Применяется и в органическом синтезе, например, при производстве сахарина.
Гидрид калия KH – белое твердое вещество, при нагревании разлагается на простые вещества. Гидрид калия является сильнейшим восстановителем. Он воспламеняется во влажном воздухе и в среде фтора или хлора. Гидрид калия может быть окислен даже такими слабыми окислителями, как вода и диоксид углерода:
KH + H 2 O = KOH + H 2
KH + CO 2 = K(HCOO) (формиат калия)
Гидрид калия вступает также в реакции с кислотами и спиртами, при этом возможно воспламенение. Он восстанавливают сероводород, хлороводород и другие вещества, содержащие водород(I):
2KH + H 2 S = K 2 S + 2H 2
KH + HCl = KCl + H 2
Гидрид калия используется как восстановитель при проведении неорганических и органических синтезов.
Цианид калия KCN, известный под названием цианистый калий, образует бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и некоторых неводных растворителях. В водном растворе он постепенно гидролизуется с выделением циановодорода HCN, а при кипячении водных растворов разлагается на формиат калия и аммиак.
В присутствии цианида калия могут идти не совсем обычные реакции, например, медь реагирует с водой, выделяя из нее водород и образуя дицианокупрат(I) калия:
В подобных условиях идет взаимодействие и в случае золота. Правда, этот менее активный металл не способен окисляться водой, однако в присутствии кислорода переходит в раствор в виде цианокомплекса – дицианоаурата(I) калия:
4Au + 8KCN + 2H 2 O + O 2 = 4K + 4NaOH
Получают цианид калия взаимодействием циановодорода с избытком гидроксида калия. Он является реагентом для извлечения серебра и золота из бедных руд, компонентом электролитов для очистки платины от серебра и для гальванического золочения и серебрения. Цианид калия применяют как реактив в химическом анализе для определения серебра, никеля и ртути.
Цианид калия очень токсичен. Смертельная доза для человека 120 мг.
Комплексные соединения . Наиболее устойчивые комплексные соединения калий образует с полидентатными лигандами (молекулами или ионами, которые могут соединяться с атомом несколькими связями), например, с макроциклическими полиэфирами (краун-эфирами).
Краун-эфиры (от английского crown – корона) содержат в цикле свыше 11 атомов, из которых не менее четырех –атомы кислорода. В тривиальных названиях краун-эфиров общее число атомов в цикле и число атомов кислорода обозначают цифрами, которые ставят, соответственно, до и после слова «краун». Такие названия намного короче систематических. Например, 12-краун-4 (рис. 1) по международной номенклатуре называется 1,4,7,10,13-тетраоксоциклододекан.
Рис. 1. ГРАФИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА соединения 12-краун-4.
Краун-эфиры образуют устойчивые комплексы с катионами металлов. При этом катион включается во внутримолекулярную полость краун-эфира и удерживается там благодаря ион-дипольному взаимодействию с атомами кислорода. Наиболее устойчивы комплексы с катионами, геометрические параметры которых соответствуют полости краун-эфира. С катионом калия наиболее устойчивые комплексы образуют краун-эфиры, содержащие 6 атомов кислорода, например, 18-краун-6 (рис. 2).
Рис. 2. ГРАФИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА комплекса калияс 18-краун-6.
Биологическая роль калия (и натрия ). Калий вместе с натрием регулируют процессы обмена веществ в живых организмах. В организме человека внутри клеток содержится большое количество ионов калия (0,12–0,16 моль/л), но относительно мало ионов натрия (0,01 моль/л). Содержание ионов натрия значительно выше во внеклеточной жидкости (около 0,12 моль/л), поэтому ионы калия контролируют внутриклеточную активность, а ионы натрия – межклеточную. Эти ионы не могут заменить друг друга.
Существование натрий-калиевого градиента с внутренней и внешней стороны клеточной мембраны приводит к возникновению разности потенциалов на противоположных сторонах мембраны. Нервные волокна способны передавать импульсы, а мышцы – сокращаться именно благодаря существованию внутреннего отрицательного заряда по отношению к внешней поверхности мембраны. Таким образом, в организме ионы натрия и калия осуществляют физиологический контроль и пусковые механизмы. Они способствуют передаче нервного импульса. Психика человека зависит от баланса ионов натрия и калия в организме. Концентрацию ионов натрия и калия, задерживаемых и выделяемых через почки, контролируют некоторые гормоны. Так, минералокортикоиды способствуют увеличению выброса ионов калия и уменьшению выброса ионов натрия.
Ионы калия входят в состав ферментов, катализирующих перенос (транспорт) ионов через биомембраны, окислительно-восстановительные и гидролитические процессы. Они служат и для поддержания структуры клеточных стенок и контролируют их состояние. Ион натрия активирует несколько ферментов, которые калий не может активировать, так же как ион натрия не может действовать на калиезависимые ферменты. Когда эти ионы попадают внутрь клетки, они связываются подходящими лигандами в соответствии с их химической активностью. Роль таких лигандов выполняют макроциклические соединения, модельными аналогами которых являются краун-эфиры. Некоторые антибиотики (подобные валиномицину) транспортируют ионы калия в митохондрии.
Установлено, что для работы (Na + –K +)–АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы) – мембранного фермента, катализирующего гидролиз АТФ, нужны одновременно ионы натрия и калия. Транспортная АТФ-аза связывает и высвобождает ионы натрия и калия на определенных стадиях ферментативной реакции, поскольку сродство активных центров фермента к ионам натрия и калия изменяется по мере протекания реакции. При этом структурные изменения фермента этом приводят к тому, что катионы натрия и калия принимаются по одну сторону от мембраны, а высвобождаются по другую. Таким образом, одновременно с гидролизом АТФ происходит и селективное перемещение катионов щелочных элементов (работа так называемого Na–K-насоса).
Суточная потребность в калии у ребенка составляет 12–13 мг на 1 кг веса, а у взрослого – 2–3 мг, т.е. в 4–6 раз меньше. Большую часть необходимого ему калия человек получает из пищи растительного происхождения.
Елена Савинкина
