МАЭ РФ

Северский государственный  технологический  институт 
 
 
 

Кафедра ХиТМСЭ 
 

РЕФЕРАТ

По  химии элементов  на тему:

«Калий. Нахождение в природе. Его свойства и  применение».

ИРХ 250900. 430. 00. 000  ПЗ

 
 
 
 

Преподаватель:

Матюха В. Н.

«  » мая 2004г. 

Студентка гр. Д-043:

Нурмухаметова Т. В.

«  » мая 2004г. 
 
 
 
 
 
 

Северск – 2004

Содержание:

 

1. Калий (краткая  характеристика)
2. Общая характеристика калия
3. Аналитическая характеристика калия
4. Нахождение в природе
5. Физические свойства
6. Химические свойства и получение
7. Соединения калия
8. Электролиз раствора хлорида калия
9. Применение

10.Калийные удобрения

11.Сложные калийные  удобрения

12. Сноски

13. Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Калий (краткая характеристика)

       КАЛИЙ (Kalium). «К» химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 19, атомная масса 39,0983, относится к щелочным металлам. Название от арабского «аль-кали» - поташ (давно известное соединение калия, добывающееся из древесной золы). Серебристо-белый металл, мягкий, легкоплавкий; плотность 0,8629 г/см³, температура плавления 63,51 °С. Быстро окисляется на воздухе, с водой реагирует со взрывом. По распространенности в земной коре занимает 7-е место (минералы: сильвин, каинит, карналлит и другие). Входит в состав тканей растительных и животных организмов. Около 90% добываемых солей используется как удобрения. Сам металл применяют в химических источниках тока, как геттер в электронных лампах, для получения надпероксида KO₂; сплавы K с Na - теплоносители в ядерных реакторах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общая характеристика калия

 

       Калий – щелочной металл главной подгруппы  первой группы. Название «щелочной» связано с тем, что гидроксид калия КОН издавна был известен под названием щёлочи. Из этой щёлочи, подвергая её в расплавленном состоянии электролизу, Г. Дэви в 1807 году впервые получил свободный калий.

       Во  внешнем электронном слое атом калия  имеет 1 электрон. Во втором снаружи  электронном слое – 8 электронов. Имея на внешнем электронном слое 1 электрон, находящийся на сравнительно большом удалении от ядра, атом калия легко отдаёт этот электрон, то есть характеризуется низкой энергией ионизацией. Образующийся при этом однозарядный положительный ион имеет устойчивую электронную структуру соответствующего идеального газа (Ar – аргон). Лёгкость отдачи внешнего электрона характеризует калий как наиболее типичный представитель металлов: металлические свойства у щелочного металла выражены особенно резко. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Аналитическая характеристика калия 

       Для аналитической характеристики калия  важно отметить следующие его особенности. Подавляющее большинство солей калия отличается очень хорошей растворимостью в воде. Даже наименее растворимые соли, в виде которых калий осаждают при количественном и качественном определении, характеризуются растворимостью порядка 10^-2 – 10^-3 моль/л, и только отдельные соли калия в отличие от соответствующих солей натрия и лития плохо растворимы в спиртах, ацетоне и некоторых других органических растворителях. Это обстоятельство используется для повышения чувствительности ряда реакций на калий и его отделения от других элементов.

       Значительная  часть методов определения калия  основана на его предварительном выделении в виде соли, мало растворимой в воде или в смесях воды с органическим растворителем.

       Поэтому в аналитической химии калия  очень видное место занимают гравиметрические методы или методы, основанные на предварительном осаждении калия.

       Непостоянство состава малорастворимых соединений калия создаёт дополнительные трудности при количественных определениях. Состав малорастворимых солей калия нередко зависит от условий осаждения. Неопределённость состава приводит к необходимости пользоваться эмпирическими факторами при вычислении количественного определения калия.

       Аналитические свойства ионов калия во многих отношениях близки к свойствам ионов аммония, рубидия, цезия и одновалентного таллия. Вследствие ненадёжности количественного отделения калия от натрия получили распространение косвенные методы определения калия (и натрия), не отличающиеся, однако, высокой точностью.

       Ион калия бесцветен, он не даёт цветных реакций. Некоторые цветные реакции являются реакциями на анион его малорастворимой соли.

       В своих соединениях калий только одновалентен, ионы калия не вступают в окислительно-восстановительные реакции. Оксидиметрические методы количественного определения основаны на окислительно-восстановительной способности анионов малорастворимых солей калия.

       Калий образует очень мало комплексных  соединений; они отличаются незначительной стабильностью и поэтому не находят применения в аналитической химии этого элемента. В отличие от натрия и лития калий не образует комплексного соединения с этилендиаминтетрауксусной кислотой [    ].

       В последнее время для количественного  калия значительную роль приобрели физические методы, основанные на использовании естественной радиоактивности и способности окрашивать бесцветное пламя.   
 
 
 
 
 
 
 

Нахождение  в природе

 

       Вследствие  очень лёгкой окисляемости калий  встречается в природе исключительно в виде соединений. Калий принадлежит к распространённым элементам: содержание его в земной коре равно приблизительно около 2% (масс.). Калий входит в состав различных минералов и горных пород силикатного типа. Большие скопления солей калия, имеющие промышленное значение, встречаются редко.

       Для калия наиболее характерны соединения с преимущественно ионным типом связи. Вследствие незначительного поляризующего действия иона, комплексообразование для К⁺ нехарактерно: даже кристаллогидраты для него почти не известны.

       Наиболее  важными минералами калия являются:

       Сильвин                              KCl

       Сильвинит                         NaCl^.KCl

       Карналлит                         KCl^.MgCl₂^.6H₂O

       Каинит                                KCl^.MgSO₄^.3H₂O 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  свойства калия

 
 
 
 
 
 

         

      Калий – блестящий серебристо-белый  металл с объёмно-центрированной кристаллической решёткой.

      Плотность калия невелика, температуры плавления  невысокие. Металл очень мягкий, легко режется ножом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Химические  свойства калия и  получение

 

      Калий принадлежит  к числу наиболее активных в химическом отношении элементам. Его высокая химическая активность обусловлена в первую очередь низкими значениями энергии ионизации его атома – лёгкостью отдачи им валентных электронов.

      Калий энергично соединяется с кислородом. На воздухе при небольшом нагревании загорается, образуя пероксидное соединение КО₂.

      Не  менее энергично, чем с кислородом, взаимодействует с галогенами, особенно с хлором и фтором.

      В ряду напряжения металлов К стоит  далеко впереди водорода и вытесняют  водород из воды; при этом образуется сильное основание:

      2К+2НОН  = 2КОН+Н₂

      Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, калий является самым энергичным восстановителем. Его восстановительная способность настолько велика, что он может восстанавливать даже атомы водорода, превращая их в отрицательно заряженные ионы Н^-. Так, при нагревании калия в струе водорода получается его гидрид:

      2К+Н₂ = 2КН

      Гидрид  калия имеет ионное строение. Калий  входит в его состав в виде катиона, а водород – в виде аниона.

      Большинство солей калия хорошо растворимы в  воде. Мало растворимы КclO₄, K₂[PtCl₆].

      Если  внести в пламя газовой горелки  соль калия, то она разлагается, и  пары освободившегося метала окрашивают пламя в характерный для калия фиолетовый цвет. 

      Получают калий восстановлением из расплавов КОН или КСl натрием. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Соединения  калия

 

       Производные калия являются преимущественно  солями и солеподобными соединениями.

       Кристаллы соединений характеризуются высокими координационными числами (рис.1).

       Калий при сгорании образует надпероксид  КО₂ (рис.2). Косвенным путём можно получить также пероксид К₂О₂.

       Перекиси  и надперекиси – сильные окислители. Водой, а тем более разбавленными  кислотами они лигко разлагаются:

       2КО₂+Н₂SO₄ = K₂SO₄+H₂O₂+O₂

       Ещё более сильным окислителем является озонид КО₃. Он образуется при действии озона на твёрдый гидроксид:

       4KOH+4O₃ = 4KO₃+O₂+2H₂O

       При хранении озонид постепенно разлагается  уже в обычных условиях:

       2КО₃ = 2КО₂+О₂        G⁰₂₉₈ = - 86 кдж

       а в воде – бурно выделяя кислород:

       4 КО₃+2H₂O = 4KOH+5 О₂ 

       Персульфид  калия может быть получен кипячением сульфидов с избытком серы (или при сплавлении сухих сульфидов с серой). Для калия выделены и изучены все члены ряда Э₂S_n, вплоть до n=6.

       Термическая устойчивость галогеногалогенатов  одного и того  же элемента определяется природой комплексных анионов. Наиболее термически устойчивы дииодоиодаты и дибромоиодаты. 

Рис.1 
 
 
 
 
 
 

                               Калий

                           Кислород

 
 

1. Кристаллическая  решётка  оксида  К₂О  (тип  антифлюорита)

 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Кристаллическая  структура  надпероксида  типа  КО₂

 

Рис.2 

К⁺

                        
 

Кислород

           
 
 
 
 

       При нагревании (300⁰С) калий взаимодействует с графитом, образуя графитиды КС₈ и КС₁₆ – продукты внедрения металла в решётку графита.

       Оксид К₂О – белое очень реакционноспособное вещество, энергично взаимодействует с водой, образуя гидроксид:

       1/2К₂О_(к)+1/2H₂O_(г) = КОН_(к)

       К₂О можно получить восстановлением КО₂ калием:

       КО₂+3К = 2 К₂О

       Гидроксид КОН – бесцветное, очень гигроскопичное вещество. При нагревании возгоняется без разложения. Хорошо растворяется в воде, при этом выделяется значительное количество тепла.

       Получают  КОН электролизом раствора хлорида  калия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Электролиз  раствора хлорида калия

 

       2КОН+Сl₂ = KCl+KСlO+H₂O

       Для того чтобы воспрепятствовать проникновению  хлора в раствор гидроксида калия, чаще всего применяют диафрагменный способ, при котором анодное и катодное пространства отделены друг от друга перегородкой (диафрагмой) из асбеста или другого пористого материала. В электролизёрах, служащих для получения КОН по этому способу, вертикально установленная диафрагма 1, плотно прилегающая к стальному дырчатому катоду 2, отделяет анодное пространство 3 от катодного 4 и препятствует смешиванию продуктов электролиза. Анодами служат графитовые стержни 5. В процессе электролиза в анодное пространство непрерывно поступает раствор хлорида калия, а из катодного вытекает раствор, содержащий смесь хлорида и гидроксида калия. При его выпаривании выкристаллизовывается хлорид калия и остаётся почти чистый раствор щёлочи. Последний отделяют от хлорида калия и выпаривают до полного удаления воды. Полученный КОН сплавляют и отливают в формы. Побочными продуктами при получении КОН являются хлор и водород.

       Несколько иначе протекает процесс электролиза  раствора хлорида калия, если катодом служит металлическая ртуть. Перенапряжение выделения водорода на ртути очень велико. Поэтому здесь у катода разряжаются не ионы водорода, а ионы калия. Выделяющийся калий растворяется в ртути, образуя амальгаму калия. Амальгаму разлагают горячей водой, причём получается КОН, выделяется водород и освобождается ртуть. Таким образом, пользуясь в качестве катода ртутью, можно получить чистый КОН, не содержащий в виде примесей хлорид калия.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема электролизёра с  вертикальной диафрагмой. 
 

 
 
 
 
 

 
 

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Применение

 

       Около 90% добываемых солей калия потребляется как удобрения (в виде KNO₃, KCl, K₂SO₄ и другие). Соединения калия применяются также в производстве стекла, мыла и др. Соединения калия используются в медицине.

       Калий принадлежит к числу элементов, необходимых в значительном количестве для питания растений.

       Калий содержится во всех тканях организма человека.

       Ион калия играет важную роль в некоторых  физиологических и биохимических процессах, например, он участвует в проведении нервных импульсов. Определённая концентрация калия в крови необходима для нормальной работы сердца [   ].  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Калийные  удобрения. 
 

       Удобрениями называют вещества, которые необходимо вносить в почву для получения высоких урожаев. Это могут быть химические индивидуумы, смеси одних с другими. Неорганические соединения, применяемые в качестве удобрений, принято называть минеральными или искусственными удобрениями, в отличие от органических удобрений. В качестве последних, применяют торф и некоторые отбросы сельского хозяйства (навоз и другие).

       Минеральные удобрения можно разделить на макроудобрения, применяемые в десятках и сотнях килограмм на 1 га почвы, и микроудобрения, используемые в значительно меньших, а иногда и ничтожно малых количествах. К первым относятся азотные, фосфорные и калийные удобрения, ко вторым – борные, кобальтовые и другие.

       Во  многих случаях, для улучшения структуры  почвы, нейтрализации почвенных  кислот или вредного действия содержащихся в почве солей, в неё вносят известь, гипс и другие вещества, которые обычно не рассматриваются как удобрения.

       Многочисленные виды минеральных удобрений отличаются по содержанию питательных веществ. В целях унификации условились пересчитывать количество полезного питательного вещества в удобрениях на условные единицы: в азотных удобрениях на азот (N), в фосфорных – на пятиокись фосфора (P₂O₅), а в калийных – на окись калия (К₂О).

       Количество  калийсодержащих минералов очень  велико, но таких, которые в настоящее время представляют интерес для промышленности минеральных удобрений, как составная часть калийных руд, немного:

       Сильвин…………………………………………………(KCl)

       Карналлит………………………………(KCl ^. MgCl₂ ^. 6H₂O)

       Каинит………………………………..(KCl ^. MgSO₄ ^. 3H₂O)

       Лангбейнит……………………………..(K₂SO₄ ^. 2MgSO₄)

       Полигалит……………(K₂SO₄ ^. MgSO₄ ^. 2 CaSO₄ ^. 2H₂O).

       Калийные  руды, представляющие собой смесь  твёрдых минералов, как правило, находятся в недрах земли, и их добыча требует проведения горных работ.

       В настоящее время установлено, что  подземные залежи калийных солей образуются в результате солнечного испарения морской воды или других природных рассолов. Под действием горного давления и других факторов, произошли физические и химические процессы, в результате которых был отжат маточный рассол, произошла перекристаллизация с образованием крупных кристаллов, а в отдельных случаях и новых минералов [  ].

       Природные рассолы, из которых могут быть выделены калийные соли, образовавшиеся подземные залежи, существуют и настоящее время. Это морская вода, погребённые рассолы и рапа соляных озёр.

       Таким образом, к числу месторождений  калийных солей можно отнести мировой океан и связанные с ним внутренние моря, моря-озёра (Каспийское, Аральское), соляные озёра и погребённые рассолы.

       Современная калийная промышленность, главным образом, перерабатывает ископаемые калийные руды, но, наряду с этим, существует и многотоннажное производство калийных удобрений из природных рассолов.

       По  составу калийные руды можно разбить  на следующие группы:

1. Сильвинитовые руды, в состав которых входят сильвин, галит, ангидрит, нерастворимые в воде соединения и незначительные количества карналлита ( не более 1 %).
2. Сильвинито - карналлитовые руды, состоящие из сильвина, карналлита, ангидрита и нерастворимых в воде соединений.
3. Карналлитовые руды, представляющие собой смесь карналлита, галита, ангидрита и нерастворимых в воде соединений.
4. Сильвинито – карналлито – кизеритовые руды, содержащие  сильвин, карналлит, галит, кизерит, ангидрит и нерастворимые в воде соединения, а иногда и полигалит. Такие руды бывают богаты кизеритом (кизеритовые) и ангидритом (ангидритовые).
5. Лангбейнитовые руды, состоящие из лангбейнита, кизерита, галита, полигалита и нерастворимых в воде соединений. В этих рудах ангидрит обычно отсутствует.
6. Каинитовые породы, с преобладанием каинита.
7. Каинито – лангбейнитовые породы, в которых содержится каинит, сильвин, лангбейнит, кизерит, полигалит и нерастворимые в воде соединения.
8. Полигалитовые руды, состоящие из полигалита и галита с примесью ангидрита, сильвина, кизерита и нерастворимых в воде соединений.
9. Калийно – боратовые руды, в состав которых кроме калийных минералов, входят такие, которые содержат соли борной кислоты.

       К калийным рудам следует также  отнести природные рассолы различного происхождения, которые можно рассматривать как сырьё для промышленной переработки.

       Калийные  руды, часто называемые сырыми калийными солями, содержат сравнительно много примесей, являющихся балластом. Поэтому их неохотно применяют в сельском хозяйстве. В настоящее время сырые соли, главным образом, используются как удобрения только в смеси с продуктами их переработки, которые называют смешанными солями.

       Большая часть сырых солей подвергается заводской переработке.

       Калийные  удобрения разделяются на хлорные  и безхлорные.

       По  природным запасам первое место  занимают хлорсодержащие, то есть сильвинитовые, сильвинито – карналлитовые и карналлитовые руды, продуктом переработки которых является хлористый калий.

       Сырьём  для производства безхлорных удобрений  в настоящее время являются лангбейнитовые, лангбейнито – каинитовые руды, имеющие сравнительно малое распространение, отличающиеся сложным составом и, часто, неблагоприятными условиями залегания.

       Ассортимент калийных удобрений отличается разнообразием: технические хлористый и сульфат калия, смеси сульфатов калия и магния с молярными соотношениями 1:1 и 1:2, а также многочисленные смеси сырых солей и продуктов их переработки.

   
 

           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сложные  калийные  удобрения 

       Нитрат  калия.

       Нитрат  калия относится к ценным безбалластным  сложным удобрениям, содержащим два  питательных для растений элемента – азот (13,85%) и калий (46,58% K₂O). В сельском хозяйстве используется калийная селитра с содержанием не менее 98% KNO₃ и не более 2% влаги.

       Получают  нитрат калия следующими способами:

1. Обменным разложением нитратов соединениями, содержащими ион К⁺ (конверсионные способы). NaNO₃+KCl = NaCl+KNO₃
2.   Действием азотной кислоты или окислов азота на калийсодержащие соединения (окислы, гидроокиси, соли).

       Метафосфат  калия.

       Ортофосфаты калия можно получить при нейтрализации ортофосфорной кислоты гидроокисью или карбонатом калия. Более дешёвым источником источником калия для этого процесса является хлористый калий. Однако, при этом возникают трудности, связанные с выведением из процесса и последующей переработкой хлористых соединений. Однозамещённый фосфат калия растворяется без разложения [  ]. Двух- и трёхзамещённые фосфаты калия гидролизуются по схемам:

       K₂HPO₄+H₂O = KH₂PO₄+KOH

       K₃PO₄+H₂O = K₂HPO₄+KOH

       При дегидратации моно- и дикалифосфатов образуются различные конденсированные (или дегидратированные) мета-,полифосфаты и более сложные их комбинации (ячеистые фосфаты). В качестве сложного калийно-фосфорного удобрения наибольший интерес представляют метафосфаты калия.

       Термографическими исследованиями установлено, что дегиратация  KH₂PO₄ протекает с образованием метафосфата калия при температуре выше 320⁰С:[  ]

       nKH₂PO₄ = (KPO₃)_n+nH₂O.

       В метафосфате калия, полученном таким образом, одна часть Р₂О₅ находится в водорастворимой, а другая в цитратнорастворимой формах. Неполная дегидратация или дегидратация в присутствие небольшого количества добавок ( хлористых солей или сульфатов щелочноземельных металлов) позволяет получать продукт, содержащий весь фосфор в водорастворимой форме. При медленном охлаждении полностью дегидратированного монокалийфосфата получается метафосфат калия, практически нерастворимый в воде.