カリウム：歴史、構造、特性、反応、用途 - 化学

カリウムは、アルカリ性の化学記号はその原子数が19であり、周期表のナトリウム下方に配置されているK.です。ナイフでもカットできるやわらかい金属です。また、非常に軽く、勢いよく反応しながら液体の水に浮くことができます。

切りたては非常に明るい銀白色ですが、空気に触れるとすぐに酸化して光沢がなくなり、灰色がかります（下図のように青みがかった色になります）。

部分的に酸化されたカリウム片が鉱油に保存されています。ソース：2×910

カリウムは水と爆発的に反応して、水酸化カリウムと水素ガスを生成します。反応の爆発性の原因となっているのはまさにこのガスです。ライターで燃焼すると、励起された原子が炎を強烈なライラック色に染めます。これは彼の定性テストの1つです。

地殻で7番目に豊富な金属であり、その重量の2.6％を占めます。シルバイト（KCl）などの鉱物に加えて、主に火成岩、頁岩、堆積物に含まれています。ナトリウムとは異なり、海水中のその濃度は低い（0.39 g / L）。

カリウムは、1807年にイギリスの化学者であるハンフリーデービー卿によって、その水酸化物KOHの溶液の電気分解によって分離されました。この金属は電気分解によって最初に分離されたものであり、デービーはそれに英語名のカリウムを与えた。

しかし、ドイツでは、金属を指すのに「カリウム」という名前が使用されました。正確には、この姓から、カリウムの化学記号として使用される文字「K」が付けられます。

金属自体は工業的にはほとんど使用されていませんが、多くの有用な化合物を生み出しています。生物学的には、しかし、それは私たちの体に不可欠な要素の一つなので、それははるかに重要です。

たとえば植物では、浸透のプロセスである光合成を支持します。また、タンパク質合成を促進し、植物の成長を促進します。

歴史

カリ

昔から、カリウムは肥料として使用されてきましたが、カリウムの存在は無視されていました。これは木の幹や葉の灰から水を加え、後に蒸発させて作ったものです。

野菜には、主にカリウム、ナトリウム、カルシウムが含まれています。しかし、カルシウム化合物は水に溶けにくい。このため、カリはカリウム化合物の濃縮物でした。この単語は、英語の「pot」と「ash」の短縮形から派生しています。

1702年、G。Ernst Stahlはナトリウム塩とカリウム塩の違いを示唆しました。この提案は1736年にHenry Duhamel du Monceauによって確認されました。塩の正確な組成は不明だったため、Antoine Lavoiser（1789）は化学元素のリストにアルカリを含めないことにしました。

発見

1797年に、ドイツの化学者マーティンクラプロスは鉱物のリューサイトとレピドライトにカリを発見したので、それは単なる植物の産物ではないと結論付けました。

1806年、イギリスの化学者ハンフリーデービー卿は、化合物の元素間の結合が本質的に電気的であることを発見しました。

次にデービーは水酸化カリウムの電気分解によってカリウムを分離し、陽極に蓄積した金属光沢の小球を観察しました。彼は金属を英語の語源語であるカリウムと命名した。

1809年、ルートヴィヒウィルヘルムギルバートは、デービーのカリウムの名前としてカリウム（カリウム）を提案しました。ベルゼリウスは、カリウムに化学記号「K」を割り当てるために、カリウムという名前を呼び起こしました。

最後に、1840年のジャストゥスリービッヒは、カリウムが植物にとって必要な要素であることを発見しました。

カリウムの構造と電子配置

金属カリウムは、体心立方（bcc）構造の通常の状態で結晶化します。これは、カリウムの特性と一致する薄いことを特徴としています。K原子は、立方体の中心にある8つの隣接原子に囲まれ、他のK原子は頂点に配置されます。

このフェーズbccはフェーズKI（最初のフェーズ）とも呼ばれます。圧力が増加すると、結晶構造は面心立方（fcc）相に圧縮されます。ただし、この遷移が自然に発生するには、11 GPaの圧力が必要です。

このより高密度のfccフェーズは、K-IIとして知られています。より高い圧力（80 GPa）、およびより低い温度（-120 thanC未満）では、カリウムは第3相、K-IIIを獲得します。K-IIIは、その結晶性空洞内に他の原子または分子を収容する能力によって特徴付けられます。

さらに高い圧力では、K-IV（54 GPa）とKV（90 GPa）の2つの結晶相もあります。非常に低温では、カリウムは（無秩序なK原子を含む）アモルファス相を示します。

酸化数

カリウムの電子配置は：

4秒¹

4s軌道は最も外側であり、したがって唯一の価電子を持っています。これは理論上、K原子をまとめて結晶を定義する金属結合の原因です。

同じ電子配置から、カリウムが通常常に（またはほとんど常に）酸化数が+1である理由を理解するのは簡単です。K ⁺カチオンを形成するために1つの電子を失うと、完全な価数のオクテットを持つ希ガスのアルゴンが等電子になります。

ほとんどのその誘導体化合物では、カリウムはK ⁺と見なされます（その結合が純粋にイオン性でなくても）。

一方、可能性は低いですが、カリウムは電子を獲得でき、4秒軌道に2つの電子を持ちます。したがって、カルシウム金属は等電子になります：

4秒²

その後、電子を獲得し、負の酸化数-1を持つと言われています。この酸化数が化合物で算出された場合、potasideアニオン、Kの存在は^-想定されます。

プロパティ

外観

光沢のあるホワイトシルバーメタル。

モル質量

39.0983 g / mol。

融点

83.5°C

沸点

759°C

密度

-0.862 g / cm ³、室温で。

-0.828 g / cm ³、融点（液体）。

溶解度

水と激しく反応します。液体アンモニア、エチレンジアミン、アニリンに可溶。合金を形成する他のアルカリ金属、および水銀に可溶。

蒸気密度

空気との関係で1.4を1としています。

蒸気圧

432°Cで8 mmHg

安定

空気や湿気から保護されていれば安定しています。

腐食性

金属と接触すると腐食する可能性があります。接触すると、皮膚や目のやけどを引き起こす可能性があります。

表面張力

100℃で86ダイン/ cm。

融合熱

2.33 kJ / mol。

気化熱

76.9 kJ / mol。

モル熱容量

29.6 J /（mol・K）。

電気陰性

ポーリングスケールで0.82。

イオン化エネルギー

最初のイオン化レベル：418.8 kJ / mol。

2番目のイオン化レベル：3.052 kJ / mol。

イオン化の第3レベル：4,420 kJ / mol。

原子ラジオ

227 pm。

共有結合半径

203±12 pm。

熱膨張

25°Cで83.3 µm /（m・K）

熱伝導率

102.5 W /（mK）。

電気抵抗率

72nΩ・m（25°C）。

硬度

Mohsスケールで0.4。

天然同位体

カリウムは主に3つの同位体として発生します：³⁹ K（93.258％）、⁴¹ K（6.73％）および⁴⁰ K（0.012％、放射性β放射）

命名法

カリウム化合物の酸化数はデフォルトで+1です（非常に特殊な例外を除く）。したがって、在庫の命名法では、名前の末尾の（I）は省略されています。また、従来の命名法では、名前はサフィックス-icoで終わります。

たとえば、KClは塩化カリウムであり、塩化カリウム（I）ではありません。体系的な命名法によると、その伝統的な名前は塩化カリウムまたは一塩化カリウムです。

残りについては、それらが非常に一般的な名前またはミネラル（シルビンなど）でない限り、カリウムの周りの命名法は非常に単純です。

形

カリウムは金属の形では自然界には見られませんが、特定の用途ではこの形で工業的に入手できます。それは主に生物、イオン形態（K ⁺）に含まれています。一般的に、それは主要な細胞内カチオンです。

カリウムは、水酸化カリウム、酢酸塩、塩化物などの多くの化合物に含まれています。また、シルバイト、アルナイト、カーナライトなどの約600種類の鉱物の一部でもあります。

カリウムは、ナトリウム、セシウム、ルビジウムなどの他のアルカリ元素と合金を形成します。また、いわゆる共晶核融合により、ナトリウムとセシウムとの三元合金を形成します。

生物学的役割

植物

カリウムは、窒素とリンとともに、3つの主要な植物栄養素を構成します。カリウムはイオンの形で根に吸収されます：湿度、温度、酸素化の適切な条件の存在によって支持されるプロセス。

葉の気孔の開閉を調節します：光合成中にグルコースと酸素を形成するために水と結合する二酸化炭素の取り込みを可能にする活動。これらは生物の主要なエネルギー源を構成するATP生成剤です。

エネルギー貯蔵物質であるデンプンに加えて、植物の成長に関連するいくつかの酵素の合成を促進します。それはまた浸透に介入します：水とミネラルの根の吸収に必要なプロセス。そして木部を通って水の上昇で。

クロロシスは、植物のカリウム欠乏症の症状です。それは、葉が緑色を失い、黄色くなり、縁が焦げているのが特徴です。そして最後に、落葉が起こり、植物の成長が遅れます。

動物

動物では、一般的に、カリウムは140 mmol / Lの濃度を持つ主要な細胞内カチオンです。一方、細胞外濃度は3.8から5.0 mmol / Lの間で変化します。体のカリウムの98％は細胞内コンパートメントに閉じ込められています。

カリウム摂取量は40〜200ミリモル/日の間で変動する可能性がありますが、その細胞外濃度は、腎排泄の調節によって一定に保たれます。収集および遠位尿細管のレベルでカリウム分泌を調節するホルモンのアルドステロンがこれに関与しています。

カリウムは、細胞内浸透圧の維持に中心的に責任があり、したがって、細胞の完全性の維持に責任があります。

原形質膜はカリウムに対して比較的透過性ですが、その細胞内濃度は3つのナトリウム原子を削除し、2つのカリウム原子を導入する酵素Na、ATPase（ナトリウムおよびカリウムポンプ）の活性によって維持されます。

細胞の再分極

ニューロンと横紋筋および平滑筋細胞で構成される興奮性細胞。骨格筋細胞と心筋細胞で構成される横紋筋細胞は、すべて活動電位を形成することができます。

興奮性細胞の内部は、細胞の外部に対して負に帯電していますが、適切に刺激されると、ナトリウムの細胞の原形質膜の透過性が増加します。この陽イオンは原形質膜を貫通し、細胞内部を正にします。

発生した現象は活動電位と呼ばれ、その中には一連の特性があり、ニューロン全体に伝播することができます。脳によって発行されたコマンドは、活動電位として特定の筋肉に伝わり、収縮します。

新しい活動電位が発生するためには、細胞内部が負に帯電している必要があります。これを行うには、細胞内部からカリウムが排出され、元の陰性に戻ります。このプロセスは再分極と呼ばれ、カリウムの主な機能です。

したがって、活動電位の形成と筋収縮の開始は、ナトリウムとカリウムの共通の責任であると言われています。

その他の機能

カリウムは、血管緊張、全身血圧の制御、消化管運動など、人間の他の機能を果たします。

カリウムの血漿濃度の上昇（高カリウム血症）は、不安、吐き気、嘔吐、腹痛、心電図の不規則性などの一連の症状を引き起こします。心室再分極に関連するT波は高く、幅が広いです。

この記録は、カリウムの細胞外濃度が増加するにつれて、細胞外への放出が遅くなり、心室再分極が遅くなるため説明されています。

血漿カリウム濃度の低下（低カルシウム血症）は、とりわけ、以下の症状を示します：筋力低下、腸管運動の低下、糸球体濾過の低下、不整脈、心電図のT波の平坦化。

カリウムの細胞外濃度を低下させることにより、細胞外へのその出口が促進され、再分極の持続時間が減少するため、T波は短くなります。

カリウムはどこで見つかり、生産されていますか

実質的に塩化カリウムからなるシルバイト結晶。出典：Rob Lavinsky、iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

カリウムは主に火成岩、頁岩、堆積物に含まれています。また、白雲母や正長石のようなミネラルでは、水に不溶です。オーソクレースは、通常火成岩や花崗岩で発生する鉱物です。

カリウムは、カーナライト（KMgCl ₃・6H ₂ O）、シルバイト（KCl）、ランドベイナイトなどの水溶性鉱物化合物にも存在します。これらは乾燥した湖底や海底にあります。

さらに、カリウムは塩水に含まれ、カリの製造に使用されるプロセスで植物の幹や葉の焼却の産物として見られます。海水中のその濃度は低い（0.39 g / L）が、カリウムを得るためにも使用されます。

カリウムは、カナダのサスカチュワンの鉱床などの大きな鉱床に存在し、鉱物シルバイト（KCl）が豊富で、世界のカリウム消費量の25％を生産できます。生理食塩水の廃液には、KClの形でかなりの量のカリウムが含まれている可能性があります。

電解

カリウムは、電解と熱の2つの方法で生成されます。電気分解では、Davyがカリウムを分離するために使用した方法が大幅な変更なしに行われました。

しかしながら、溶融カリウム化合物の高融点を低下させる必要があるため、工業的観点からのこの方法は効率的ではなかった。

1920年代には水酸化カリウムを電気分解する方法が工業的に使用されていましたが、熱法がこれに取って代わり、1950年以降はこの金属の主要な製造法になりました。

サーマル法

サーマル法では、溶融塩化カリウムを870℃で還元してカリウムを生成します。これは、塩を詰めた蒸留塔に連続的に供給されます。一方、ナトリウム蒸気はカラムを通過して、塩化カリウムの還元を引き起こします。

カリウムは反応の最も揮発性の高い成分であり、蒸留塔の上部に蓄積され、そこで連続的に収集されます。熱法による金属カリウムの生成は、次の化学式で概説できます。

Na（g）+ KCl（l）=> K（l）+ NaCl（l）

フッ化カリウムと炭化カルシウムの反応を使用するグリーシャイマープロセスは、カリウムの生産にも使用されます。

2 KF + CaC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

反応

無機

カリウムは非常に反応性の高い元素で、酸素と急速に反応して、酸化カリウム（K ₂ O）、過酸化物（K ₂ O ₂）、およびスーパーオキシド（KO ₂）の3つの酸化物を形成します。

カリウムは強力な還元元素なので、ほとんどの金属よりも速く酸化します。金属塩を減らすために使用され、カリウムを塩の金属に置き換えます。この方法により、純粋な金属を得ることができます。

MgCl ₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

カリウムは水と強く反応して水酸化カリウムを形成し、爆発性水素ガスを放出します（下の画像）：

フェノールフタレインの水溶液と反応する金属カリウムは、OH-イオンが媒体に放出されると紫赤色に変わります。水素ガスの生成に注意してください。出典：オゾンオーロラとフィリップエヴァンス、ウィキペディア経由。

水酸化カリウムは二酸化炭素と反応して炭酸カリウムを生成します。

カリウムは一酸化炭素と60°Cの温度で反応し、爆発性のカルボニル（K ₆ C ₆ O ₆）を生成します。また、350℃で水素と反応して水素化物を形成します。また、ハロゲンとの反応性が高く、液体臭素と接触すると爆発します。

カリウムが塩酸などのハロゲン化された酸と反応し、混合物が強くぶつかったり、振られたりした場合にも爆発が起こります。溶融カリウムはさらに硫黄および硫化水素と反応します。

オーガニック

活性基を含む有機化合物と反応しますが、脂肪族および芳香族炭化水素に対して不活性です。カリウムは、アンモニアとゆっくりと反応して、ポタソミン（KNH ₂）を形成します。

ナトリウムとは異なり、カリウムはグラファイトの形で炭素と反応して一連の層間化合物を形成します。これらの化合物の炭素-カリウム原子比は、8、16、24、36、48、60、または1です。つまり、たとえばKC ₆₀です。

用途

金属カリウム

金属カリウムに対する産業上の需要はあまりありません。そのほとんどは酸素を放出し、二酸化炭素と水蒸気を除去するため、人工呼吸器で使用される過酸化カリウムに変換されます。

NaK合金は優れた熱吸収能力を備えているため、一部の原子炉では冷却材として使用されています。同様に、気化した金属がタービンに使用されてきました。

化合物

塩化

KClは農業で肥料として使用されます。また、水酸化カリウムなどの他のカリウム化合物の製造原料としても使用されます。

水酸化物

苛性カリ、KOHとも呼ばれ、石鹸や洗剤の製造に使用されます。

ヨウ素との反応によりヨウ化カリウムが生成されます。この塩は、食塩（NaCl）と飼料に追加され、ヨウ素欠乏から保護されます。水酸化カリウムはアルカリ電池の製造に使用されます。

硝酸塩

ソルペッター、KNO ₃とも呼ばれ、肥料として使用されます。さらに、それは花火の精緻化で使用されます。食品保存料として、また硬化ガラスに。

クロメート

肥料やカリウムミョウバンの生産に使用されます。

炭酸塩

ガラスの製造、特にテレビの製造に使用されます。

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