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(Potassium Kalium)是一种银白色的软质金属,蜡状,可用小刀切割,熔沸点低,密度比水小,化学性质极度活泼(比钠还活泼)。是ⅠA族的元素之一,属于碱金属。钾在自然界没有单质形态存在,钾元素以盐的形式广泛的分布于陆地和海洋中,也是人体肌肉组织和神经组织中的重要成分之一。

研究历史

钾盐以硝石(硝酸钾,KNO3),明矾(十二水合硫酸铝钾,KAl(SO4)2•12 H2O),还有草木灰(碳酸钾,K2CO3)的形式已经被认知了几个世纪。它们被用于火药,燃料和肥皂的制造。 把含钾物质还原为元素挫败了早期的化学家,而且钾被拉瓦锡分类为“泥土”。由于钾的活动性很强,难以用常用的还原剂(如碳)从钾的化合物将金属钾还原出来。之后在1807年,汉弗里•戴维电解熔融氢氧化钾发现有金属小球形成,这就是钾。他注意到当把钾扔到水里时,钾会在水面上游动,并燃烧发出美丽的紫色的火焰。钾的名称来源于拉丁文Kalium,原意是“碱”。 拉丁文名称从阿拉伯文Qali借来的。 中国科学家在命名此元素时,因其活泼性在当时已知的金属中居首位,故用“金”字旁加上表示首位的“甲”字而造出“钾”这个字。

物理性质

钾为银白色立方体结构金属,理化性质和钠非常相似。钾质软而轻可用小刀切割,新切面有银白色光泽。

钾的密度0.862g/cm3(293K),熔点336K(63℃),沸点1043K(770℃)。 钾是热和电的良导体,具有较好的导磁性,质量分数77.2%的钾和22.8%的钠形成的钾钠合金熔点只有12℃,是核反应堆导热剂。钾单质还具有良好的延展性,硬度也低,能够溶于汞和液态氨,溶于液氨形成蓝色溶液。

已发现的钾的同位素共有28种,包括从32K至55K,其中在自然界中存在的只有39K、40K和41K,其他同位素都是由人工制造。40K有放射性,是岩石和土壤中天然放射性本底的重要来源之一。

钾离子能使火焰呈紫色,可用焰色反应和火焰光度计检测。

化学性质

钾的化学性质比钠还要活泼,仅比铯、铷活 动性弱。暴露在空气中,表面迅速覆盖一层氧化钾和碳酸钾,使它失去金属光泽(表面显蓝紫色),因此金属钾应保存在液体石蜡或氩气中以防止氧化。钾在空气中加热就会燃烧,它在有限量氧气中加热,生成氧化钾;在过量氧气中加热,生成过氧化钾和超氧化钾的混合物。金属钾溶于液氨生成深蓝色液体,可导电,实验证明其中含氨合电子,钾的液氨溶液久置或在铁的催化下会分解为氢气和氨基钾。钾的液氨溶液与氧气作用,生成超氧化钾,臭氧作用,生成橘红色的臭氧化钾。 钾与水剧烈反应,甚至在冰上也能着火,生成氢氧化钾和氢气,反应时放出的热量能使金属钾熔化,并引起钾和氢气燃烧。 钾与氟、氯、溴、碘都能发生反应,生成相应的卤化物。钾不与氮气作用。与氨作用,生成氨基甲,并放出氢气,钾与汞形成钾汞齐(化学式:K + Hg = K[Hg]),是还原剂,与水反应不剧烈。钾和汞作用时会发生强烈的放热反应。钾的氧化态为+1,只形成+1价的化合物。 在高中化学范畴认为钾盐均溶于水,但实际上高氯酸钾、酒石酸氢钾、六氯铂酸钾、钴亚硝酸钠钾、四苯硼酸钾等溶解度均较小。

化合物

氧化钾

氧化钾化学式K2O,分子量94.2,密度2.32g/cm3。易潮解,易溶于水。为白色粉末,溶于水生成氢氧化钾,并放出大量热。在空气流中加热能被氧化成过氧化钾或超氧化钾,易吸收空气中的二氧化碳成为碳酸钾。

过氧化钾

过氧化钾,黄色无定形块状物,易潮解。加热分解,遇水放出氧气,遇酸生成过氧化氢,过氧化钾能吸收二氧化碳并放出氧气。是强氧化剂。可由氢氧化钾与过氧化氢反应制得。

超氧化钾

超氧化钾是一种一级氧化剂,在许多方面类似于第I族金属过氧化物。遇易燃物、有机物、还原剂等会引起燃烧甚至爆炸。遇水或水蒸汽产生大量热量,同样可能发生爆炸。吸湿性极强,与水激烈反应生成氧及可被进一步分解的碱性过氧化物溶液。

氢氧化钾

氢氧化钾,白色粉末或片状固体。具强碱性及腐蚀性,中等毒性。极易吸收空气中水分而潮解,吸收二氧化碳而成碳酸钾。溶于水,能溶于乙醇和甘油。当溶解于水、醇或用酸处理时产生大量热量。0.1mol/L溶液的pH为13.5。相对密度2.044。熔点380℃(无水)。

含量分布

地壳

钾的化合物早就被人类利用,由于钾的化学性质极为活泼,所以钾在自然界中只以化合物形式存在。人们古代就知道草木灰中存在着钾草碱(即碳酸钾),可用作洗涤剂。硝酸钾也被用作黑火药的成分之一。钾在地壳中的含量为2.47%,占第七位。 可用来提取钾盐的矿物有钾盐矿(KCl)、光卤石(KCl•MgCl2•6H2O)、杂卤石(2CaSO4•K2SO4•2H2O )。 分布极广的天然硅酸盐矿物中也含有钾,如钾长石K[AlSi3O8]。在云母、钾长石等硅酸盐中都富含钾。

海洋

在海水中以钾离子的形式存在,含量约为0.38g/kg。钾在海水中含量比钠离子少的原因是由于被土壤和植物吸收多。在动植物体内也含有钾。除了氧、氢、氯、钠、镁、硫、钙之外 ,钾在海水中的含量最高。

人体

正常人体内约含钾175克,其中98%的钾以钾离子的形式贮存于细胞液内;血清中含钾3.5~5.5mmol/L。钾是细胞内最主要的阳离子之一。

制备方法

生产金属钠用的是电解法,但在生产金属钾中却不能用此法,因为钾太容易溶解在熔化的KCl中,无法分离收集。金属钾的生产方法采用金属钠与氯化钾在高温下的反应:Na+KCl=K↑+NaCl。钾的沸点比钠低,不断地将钾的蒸气分离出去,就能使反应持续进行。用真空蒸馏法可将钾的纯度提高为99.99%。由于钾比钠贵, 在一般情况下都用钠代替钾,钾盐的用途就比较少,但由于钾盐的吸湿性弱于钠盐,所以分析化学中常用钾盐做标准试剂。

主要用途

人体

钾可以调节细胞内适宜的渗透压和体液的酸碱平衡,参于细胞内糖和蛋白质的代谢。

钾缺乏

“夏打盹”医学上也称之为“夏季倦怠症”,它是由于夏季炎热,温度过高,使人体大量排汗,而随汗液可排出大量的钾元素,又因钾元素得不到及时补充,从而导致人们夏季倦怠疲劳、精神不振。 钾是人体内不可缺少的元素,一般成年人体内的含钾元素150g左右,其作用主要是维持神经、肌肉的正常功能。因此,人体一旦缺钾,正常的运动就会受到影响。 夏季缺钾不仅精力和体力下降,而且耐热能力也会降低,使人感到倦怠无力。严重缺钾时,可导致人体内酸碱平衡失调、代谢紊乱、心律失常,全身肌肉无力、懒动。此时,有些人为了使自己少出汗而过量地饮用盐开水。殊不知,这样做又容易加重心脏负担,使体内钾、钠平衡失调。而适当补充钾元素则有利于改善体内钾、钠平衡,既可以防止血压上升,又可防止血压过低。下面介绍一些含钾元素较高的食物。 一、粮食中,以荞麦、玉米、红薯、大豆等含钾元素较高。 二、水果中,以香蕉含钾元素最丰富。 三、蔬菜中,以菠菜、苋菜、香菜、油菜、甘蓝、芹菜、大葱、青蒜、莴笋、土豆、山药、鲜豌豆、毛豆等含钾元素较高。 四、海藻类,含钾元素相当丰富,如紫菜每百克含钾1640毫克,是含钠的175倍;海带含钾是含钠的22倍;羊栖菜含钾是钠的3.1倍。因此,紫菜汤、紫菜蒸鱼、紫菜肉丸、凉拌海带丝、海带炖肉等都是夏季补钾菜肴的上品. 钾是人体生长必需的营养素。它占人体无机盐的5%,对保持健全的神经系统和调节心脏节律非常重要。它能防止中风,维持正常的肌肉收缩,与钠共同维持体液平衡。临床上有许多病人因各种原因缺钾,如频繁呕吐、腹泻和长期胃肠引流使钾从消化道中的排出增加;某些肾脏疾病和应用排钾利尿剂使钾从肾脏排泄增加;肾上腺皮质机能亢进症患者或长期应用肾上腺皮质激素治疗,促使钾排泄增加;高温作业、高强度劳动和训练,造成大量出汗而损失钾等。上述原因导致体内钾的总量减少,当血清钾低于3.5mmol /L,结合病情可判断为低钾血症。 缺钾时临床症状常为原发疾病掩盖,钾缺乏使神经肌肉应激性降低,全身无力,反应力降低,严重者可至软瘫和呼吸困难;消化道功能紊乱,有厌食、恶心、呕吐、胀气,严重者有肠麻痹和肠梗阻。缺钾使心肌应激性增高,出现心律失常,可有房室传导阻滞,甚至发生房颤和室颤。 缺钾的治疗应在积极治疗原发疾病、去除病因的基础上,减少失钾。在医生考虑药物补钾的同时,轻度缺钾和慢性缺钾能口服进食的病人,应该多进食含钾丰富的食物。 我从许多资料中看到,钾这种矿物质对于治疗严重高血压、中风、肌肉萎缩、心脏病、软骨病、甚至癌症都有作用。由于钾的推荐摄入量介于2000 4000毫克之间,而且钾在拯救生命的过程中到底能起多少作用尚未证实,我建议大家平时尽可能多食用含钾的食物,因为人体内的钾主要来自食物。豆类(如黑豆、菜豆、新鲜豌豆)、瘦肉、乳制品、蛋类、马铃薯、茶叶、葵花子、谷物、葡萄干、绿叶蔬菜(如菠菜、甜菜等)、水果(如香蕉、橘子、柠檬、杏、梅、油桃)等,含钾丰富。由于钾主要存在细胞内,组织破坏后溶解析出,因此水果汁、蔬菜汤、肉汁中含量相对丰富,缺钾的人可以多喝些用上述含钾丰富的食物熬制的美味浓汤。但是,一些肾功能衰竭致血钾偏高的病人就需要限食上述食品了。*[1]

钾过量

血清钾测定>5.5mmol/L时,称为高钾血症。正常从饮食中摄入钾量远低于肾脏排钾量,故引起高血钾的原因大多与肾功能减退,不能有效地排出钾而致体内钾增多有关。可分为三类:a.肾排钾困难,如急性肾功能衰竭的少尿阶段、盐皮质激素不足等;b.进入体内(血液内)的钾过多,如静脉输入过多,过快,输注大剂量青霉素钾盐或大剂量库存血,服用含钾药物等;c.细胞内钾移入细胞外液,如缺氧、酸中毒、持续性抽搐、大量溶血、大量内出血、大血肿、挤压综合征等均可使细胞内钾释出。供参考。 肾脏病人的“隐形杀手”——高血钾上海瑞金医院钱莹如果肾脏调节水分和电解质的功能丧失,肾脏病人就会发生少尿和水肿。少尿时,由于排钾减少可有钾潴留,使用保钾利尿剂的病人 在浮肿消退时,可出现高血钾。当血钾>6.5毫摩尔/升时,即可导致 患者的心脏在数秒至数分钟内停止跳动。因此,说高血钾是慢性肾病的“隐形杀手”一点儿也不过分。 轻度高钾血症是指血钾<6毫摩尔/升者,一般需要密切观察,严 格限制摄入含钾量高的食物和药物。含钾高的药物包括部分中药、血 制品、某些降压药和保钾利尿剂等。高钾食品有香蕉、柑橘、土豆、 西红柿、南瓜、茶叶、酱油、味精等。通过冷冻、浸泡、弃去汤汁, 就能减少这些食物中的钾。*[2] 中、重度高钾血症是指血钾>6.5毫摩尔/升者,除需注意以上事 项外,还应静注葡萄糖酸钙、5%碳酸氢钠(心功能不全者慎用)、 高渗葡萄糖(需皮下注射胰岛素)和进行透析治疗。*[3]

植物

钾能促进植株茎秆健壮,改善果实品质,增强植株抗寒能力,提高果实的糖分和维生素C的含量,和氮、磷的情况一样,缺钾症状首先出现于老叶。钾素供应不足时,碳水化合物代谢受到干扰,光合作用受抑制,而呼吸作用加强。因此,缺钾时植株抗逆能力减弱,易受病害侵袭,果实品质下降,着色不良。瓜、果、番茄等对钾肥的需求主要是在果实迅速膨大期。

钾肥一般是在基肥、冲施、追施、喷施和无土营养栽培时施入,果实膨大前期冲施、追施或叶面喷施0.5%磷酸二氢钾、硝酸钾、硫酸钾、氯化钾溶液。氯化钾不能用于瓜类和烟叶。

钾不足时,植株茎秆柔弱,易倒伏,抗寒性和抗旱性均差;叶片变黄,逐渐坏死。由于钾能移动到嫩叶,缺钾开始在较老的叶,后来发展到植株基部,也有叶缘枯焦,叶子弯卷或皱缩。 促进酶的活化。 生物体中有60多种酶需要钾离子作为活化剂。 促进光能的利用,增强光合作用。首先K+能保持叶绿体内类囊体膜的正常结构,缺K+时类囊体膜结构松散,影响光合作用的正常进行。同时又能促进类囊体膜上质子梯度的形成和光合磷酸化作用。 有利于植物正常的呼吸作用,改善能量代谢。 增强植株体内物质的合成和转运。比如,碳水化合物的合成与运转;增强蛋白质与核蛋白的合成;促进豆科植物根瘤菌的固氮作用。 增强植物的抗性。 增强抗冻性、抗旱、抗盐的能力; 增强植物对病虫害的抗性。试验表明,增施适量的钾肥,能有效地减少水稻的胡麻叶斑病、稻瘟病、纹枯病等;麦类的白粉病、赤霉病及小麦的锈病等等。 减少水稻受还原性物质的危害。

储存方法

金属钾很活泼,需隔绝空气和水储存。一般把钾、钠储存在煤油和液体石蜡中。

储存库房应通风低温干燥;与酸、氧化剂分开存放。 贮存和使用都要注意安全,由金属钾引起的火灾,不能用水或泡沫灭火剂扑灭,而要用碳酸钠干粉。钾也对皮肤有很强的腐蚀性。

参考文献

  1. 钾对人体健康有什么作用?低钾真的会致死吗?. 01 七月 2018 [26 三月 2020] (中文). 
  2. 高血压患者饮食切莫忽视“钾”. 27 十一月 2015 [26 三月 2020] (中文). 
  3. 可怕的高钾血症. 14 五月 2019 [26 三月 2020] (中文).