钾(potassium)

元素周期表中第1A族元素，属轻金属。元素符号K，原子序数19，相对原子质量39．0983，一种呈银色光泽的低熔点金属。

1807年英国化学家戴维(H．Davy)用伏打电池分解熔融氢氧化钾制得金属钾。由于钾是从木灰碱(potash)中提取的，所以被命名为potassium。

物理性质 金属钾比水轻，为低熔点金属，是热和电的良导体。金属钾为体心立方晶体，晶格常数a=533．4。钾的热中子吸收截面为2．2b±0．2b。同位素序数(包括同核异构体)为10，质量数范围37～45。³⁹K是相对原子质量为38．96371的稳定同位素，天然丰度93．2581％，核自旋为3／2，核磁矩+0．3914，用于核磁共振。⁴¹K是相对原子质量为40．962的稳定同位素，天然丰度6．7302％，核自旋为3／2，核磁矩+0．2149，用于核磁共振。⁴⁰K是相对原子质量39．974、天然丰度0．0117％的放射性同位素，半衰期1．28×109a，核自旋为4。已制取到六种人工合成的钾同位素，其中⁴¹K的相对原子质量为41．963，半衰期12．4h，核自旋为2，核磁矩-1．1424，主要用作同位素指示剂及用于医学上，⁴³K的相对原子质量为42．964，半衰期22．4h，核自旋为3／2，核磁矩+0．163。钾的主要物理性质如表。

化学性质 钾的最外层电子构型为[Ar]4s¹，形成化合物时极易失去4s轨道上的一个电子而形成+1价的钾离子。钾的化学性质比钠更活泼，在空气中燃烧，与10⁵Pa的氧化作用易生成桔红色的超氧化钾(KO2)。超氧化钾易与水和CO2同时反应生成碳酸氢钾并释放出氧气，因而可作为呼吸面罩中的供氧剂。金属钾遇水或冰，即使温度低至173K也会发生激烈反应放出氢气并爆炸。钾与酸溶液反应更为剧烈。在473K温度时金属钾与氢气反应很慢，但在673K时反应很快。钾同卤素的反应激烈，加热时能在氯气中燃烧生成KCl，同液体溴接触会爆炸，也会同许多卤素有机化合物发生爆炸反应。金属钾与CO在333K温度下能生成一种具有爆炸性的羰基化合物[K6(CO)6]，但钾与氮不发生反应。在高温下钾能将CO2还原为CO和碳。钾不仅可与锂、钠形成合金，也可与其他碱金属形成合金。液氮是钾的良好溶剂，钾还溶于乙二胺、苯胺和汞中。钾的还原性极强，能将多种金属化合物还原成金属，其标准还原电位(K⁺→K)为一2．924V。钾也是维持动植物生命的必要元素。

化合物 钾的主要化合物有氯化钾、氢氧化钾、氧化钾、过氧化钾、碳酸钾、碘化钾、硝酸钾、硫酸钾、硅酸钾等。

氯化钾 无色或白色的立方晶体，熔点1043K，1773K时升华，密度1984kg／m³。氯化钾易溶于水，溶解度随温度升高而迅速增加。可从盐湖水、天然钾盐、光卤石等矿石中提取氯化钾。氯化钾是制取钾化合物的基本原料，还可用作钾肥、利尿剂以及用于防治缺钾症。

氢氧化钾 白色固体，熔点633．4K，沸点1593～1613K。氢氧化钾易溶于水和醇。它的吸湿性很强，在空气中因吸收水分而潮解，溶于水时放出大量的热。氢氧化钾属强碱，与氢氧化钠统称为苛性碱。在水中完全电离为K⁺和OH^一。氢氧化钾能与溶于水或不溶于水(如SiO2)的酸，酸性氧化物发生中和反应，与盐发生复分解反应。氢氧化钾可用于制造液体肥皂和洗涤剂，也可用于制取各种钾盐。电解氯化钾可制得氢氧化钾。

氧化钾和过氧化钾氧化钾 极易与水化合生成氢氧化钾。过氧化钾为淡黄色粉末，是极强的氧化剂，也是强漂白剂。

碳酸钾 白色结晶，熔点1164K，密度2428kg／m³，热稳定性好，升温至1273K也不分解。碳酸钾易潮解，易溶于水。工业上多采用往氢氧化钾溶液中通入C0：的方法来制取碳酸钾。碳酸钾主要用作钾肥，也用于制造玻璃、钾肥皂，其他含钾化合物、织物染料以及清洗和电镀金属。

碘化钾 无色立方晶体，熔点954K，沸点1603K，易溶于水。碘化钾是制备各种碘化物的原料，也可用作甲状腺防治剂和分析试剂。碘化钾和碘的酒精溶液是用于防腐的碘酒。

硝酸钾 无色透明三方晶体，熔点607K，密度2109kg／m³，于673K温度下开始分解。硝酸钾可通过硝酸钠与氯化钾反应获得，也可由硝酸与氢氧化钾合成制得。硝酸钾广泛用于肥料、焰火以及炸药等，也可用作食品防腐剂和分析化学试剂。

硫酸钾 无色斜方晶体，熔点1342K，密度2662kg／m³，工业品常呈灰白色，易溶于水，可通过硫酸与氯化钾的反应获得。硫酸钾主要用于生产钾肥、橡胶和碳酸钾，也可用于制造钾矾和钾玻璃等，在医学上用作缓泻药。

硅酸钾 可溶于水而呈碱性，其透明的浆状溶液被称作水玻璃(工业上称泡花碱)。在金属零件的化学去油溶液中常加入这种水玻璃作为乳化剂，建筑工业上用它作为粘合剂，木材、织物浸过水玻璃后可以防腐，不易着火。这种水玻璃还可作洗涤剂。

应用 工业上所用的金属钾量不多，主要用于制造超氧化钾。每千克超氧化钾吸收CO2和水后能释放出336．6L的氧气，因而广泛用作潜艇、宇宙飞船中的供氧源。金属钾可制成钠钾合金，合金的熔点只有260．5K，能象液钠一样传热，但不易固化，因此可用作液态金属的热交换介质，在原子能反应堆中作热交换剂。经用钠钾合金清除杂质后的惰性气体含氧和水均小于1×10^-4％。钾用作磁流体发电燃料的添加剂时，可以提高高温气体的导电性。钾盐是植物生长的三大营养元素之一。94％的钾化合物用于农业，其余用于化工和纺织工业。

矿产资源 钾在地壳中的含量居第八位，其地壳丰度为184×10^-2％，占地壳火成岩的2．59％，海水含钾380×10^-4％。大部分钾以不溶性的铝硅酸盐如钾长石、钾云母的形式分布于自然界中。具有经济价值的钾盐矿是内陆海在干燥条件下蒸发水分后干涸的沉积矿床，主要有钾盐(KCl)、钾石盐(KCl．NaCl)、无水钾镁矾(K2SO4•2MgSO4)、钾盐镁矾(KCl•MgSO4•3H2O)、光卤石(KCl•MgCl2•6H2O)、钾硝石(KNO3)和明矾石(KAl3[SO4]2(OH)6)等。

生产方法 不能用电解氯化钾的方法制取金属钾。因为钾在熔盐中的溶解度很大，并能渗透到石墨层间，与石墨反应生成层状化合物，严重侵蚀石墨阳极。此外，钾还极易与氧和C0生成具有爆炸性能的超氧化钾和羰基钾。工业上采用金属置换法制取金属钾。这种方法是利用钾的沸点比钠低、挥发性比钠大这一特性，当Na+KCI→K+NaCl达到平衡时，只要从体系中不断分离出钾，就能不断地产生钾蒸气。钾蒸气经冷凝便可得到金属钾。工业上常用的钾生产方法有间歇法和连续法。

连续法 主要过程在不锈钢塔内进行。塔的上部为精馏区，其余下部为反应区，内充不锈钢环填料。从塔底部导入液体钠，经反应塔旁的叉管加热并气化后，沿反应塔上升。熔融的氯化钾由塔的中部加入，与上升的钠蒸气反应生成钠钾合金。钠钾合金经过塔上部的精馏区分离，钾蒸气经冷凝器冷凝成液体，部分返回作回流液，部分取出为成品。反应产物氯化钠通过塔底不断地排出。为确保操作安全，生产设备系统必须自始至终用氮气保持正压。连续法产出的金属钾纯度在96％以上，经真空蒸馏可制得99．99％以上的高纯钾。高纯钾含氧(10～50)×10^-4％、碳(10～50)×10^-4％、钠(10～50)×10^-4％。此法存在设备被严重腐蚀的问题。

间歇法 先将原料氯化钾破碎至30mm以下，在干燥炉内于473～523K温度下烘干至含水在0．1％以下。将经干燥的氯化钾和钠块加入密闭的反应器内，通入氮气置换反应器内的空气后，抽真空至13．33kPa左右，在953～993K温度下进行置换反应。产生的钾蒸气上升到塔顶的冷凝器中，一部分冷凝成液体，作为回流液返回精馏柱；另一部分钾蒸气则经支管流出，冷凝后收集于储罐中。得到的金属钾纯度在98％以上，总收率约70％。反应结束后，蒸馏出残留的少量钠钾合金，返回作为原料使用，残渣熔融后排出。