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(Potassium Kalium)是一種銀白色的軟質金屬,蠟狀,可用小刀切割,熔沸點低,密度比水小,化學性質極度活潑(比鈉還活潑)。是ⅠA族的元素之一,屬於鹼金屬。鉀在自然界沒有單質形態存在,鉀元素以鹽的形式廣泛的分布於陸地和海洋中,也是人體肌肉組織和神經組織中的重要成分之一。

研究歷史

鉀鹽以硝石(硝酸鉀,KNO3),明礬(十二水合硫酸鋁鉀,KAl(SO4)2•12 H2O),還有草木灰(碳酸鉀,K2CO3)的形式已經被認知了幾個世紀。它們被用於火藥,燃料和肥皂的製造。 把含鉀物質還原為元素挫敗了早期的化學家,而且鉀被拉瓦錫分類為「泥土」。由於鉀的活動性很強,難以用常用的還原劑(如碳)從鉀的化合物將金屬鉀還原出來。之後在1807年,漢弗里•戴維電解熔融氫氧化鉀發現有金屬小球形成,這就是鉀。他注意到當把鉀扔到水裡時,鉀會在水面上遊動,並燃燒發出美麗的紫色的火焰。鉀的名稱來源於拉丁文Kalium,原意是「鹼」。 拉丁文名稱從阿拉伯文Qali借來的。 中國科學家在命名此元素時,因其活潑性在當時已知的金屬中居首位,故用「金」字旁加上表示首位的「甲」字而造出「鉀」這個字。

物理性質

鉀為銀白色立方體結構金屬,理化性質和鈉非常相似。鉀質軟而輕可用小刀切割,新切面有銀白色光澤。

鉀的密度0.862g/cm3(293K),熔點336K(63℃),沸點1043K(770℃)。 鉀是熱和電的良導體,具有較好的導磁性,質量分數77.2%的鉀和22.8%的鈉形成的鉀鈉合金熔點只有12℃,是核反應堆導熱劑。鉀單質還具有良好的延展性,硬度也低,能夠溶於汞和液態氨,溶於液氨形成藍色溶液。

已發現的鉀的同位素共有28種,包括從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製造。40K有放射性,是岩石和土壤中天然放射性本底的重要來源之一。

鉀離子能使火焰呈紫色,可用焰色反應和火焰光度計檢測。

化學性質

鉀的化學性質比鈉還要活潑,僅比銫、銣活 動性弱。暴露在空氣中,表面迅速覆蓋一層氧化鉀和碳酸鉀,使它失去金屬光澤(表面顯藍紫色),因此金屬鉀應保存在液體石蠟或氬氣中以防止氧化。鉀在空氣中加熱就會燃燒,它在有限量氧氣中加熱,生成氧化鉀;在過量氧氣中加熱,生成過氧化鉀和超氧化鉀的混合物。金屬鉀溶於液氨生成深藍色液體,可導電,實驗證明其中含氨合電子,鉀的液氨溶液久置或在鐵的催化下會分解為氫氣和氨基鉀。鉀的液氨溶液與氧氣作用,生成超氧化鉀,臭氧作用,生成橘紅色的臭氧化鉀。 鉀與水劇烈反應,甚至在冰上也能着火,生成氫氧化鉀和氫氣,反應時放出的熱量能使金屬鉀熔化,並引起鉀和氫氣燃燒。 鉀與氟、氯、溴、碘都能發生反應,生成相應的鹵化物。鉀不與氮氣作用。與氨作用,生成氨基甲,並放出氫氣,鉀與汞形成鉀汞齊(化學式:K + Hg = K[Hg]),是還原劑,與水反應不劇烈。鉀和汞作用時會發生強烈的放熱反應。鉀的氧化態為+1,只形成+1價的化合物。 在高中化學範疇認為鉀鹽均溶於水,但實際上高氯酸鉀、酒石酸氫鉀、六氯鉑酸鉀、鈷亞硝酸鈉鉀、四苯硼酸鉀等溶解度均較小。

化合物

氧化鉀

氧化鉀化學式K2O,分子量94.2,密度2.32g/cm3。易潮解,易溶於水。為白色粉末,溶於水生成氫氧化鉀,並放出大量熱。在空氣流中加熱能被氧化成過氧化鉀或超氧化鉀,易吸收空氣中的二氧化碳成為碳酸鉀。

過氧化鉀

過氧化鉀,黃色無定形塊狀物,易潮解。加熱分解,遇水放出氧氣,遇酸生成過氧化氫,過氧化鉀能吸收二氧化碳並放出氧氣。是強氧化劑。可由氫氧化鉀與過氧化氫反應製得。

超氧化鉀

超氧化鉀是一種一級氧化劑,在許多方面類似於第I族金屬過氧化物。遇易燃物、有機物、還原劑等會引起燃燒甚至爆炸。遇水或水蒸汽產生大量熱量,同樣可能發生爆炸。吸濕性極強,與水激烈反應生成氧及可被進一步分解的鹼性過氧化物溶液。

氫氧化鉀

氫氧化鉀,白色粉末或片狀固體。具強鹼性及腐蝕性,中等毒性。極易吸收空氣中水分而潮解,吸收二氧化碳而成碳酸鉀。溶於水,能溶於乙醇和甘油。當溶解於水、醇或用酸處理時產生大量熱量。0.1mol/L溶液的pH為13.5。相對密度2.044。熔點380℃(無水)。

含量分布

地殼

鉀的化合物早就被人類利用,由於鉀的化學性質極為活潑,所以鉀在自然界中只以化合物形式存在。人們古代就知道草木灰中存在着鉀草鹼(即碳酸鉀),可用作洗滌劑。硝酸鉀也被用作黑火藥的成分之一。鉀在地殼中的含量為2.47%,占第七位。 可用來提取鉀鹽的礦物有鉀鹽礦(KCl)、光鹵石(KCl•MgCl2•6H2O)、雜鹵石(2CaSO4•K2SO4•2H2O )。 分布極廣的天然硅酸鹽礦物中也含有鉀,如鉀長石K[AlSi3O8]。在雲母、鉀長石等硅酸鹽中都富含鉀。

海洋

在海水中以鉀離子的形式存在,含量約為0.38g/kg。鉀在海水中含量比鈉離子少的原因是由於被土壤和植物吸收多。在動植物體內也含有鉀。除了氧、氫、氯、鈉、鎂、硫、鈣之外 ,鉀在海水中的含量最高。

人體

正常人體內約含鉀175克,其中98%的鉀以鉀離子的形式貯存於細胞液內;血清中含鉀3.5~5.5mmol/L。鉀是細胞內最主要的陽離子之一。

製備方法

生產金屬鈉用的是電解法,但在生產金屬鉀中卻不能用此法,因為鉀太容易溶解在熔化的KCl中,無法分離收集。金屬鉀的生產方法採用金屬鈉與氯化鉀在高溫下的反應:Na+KCl=K↑+NaCl。鉀的沸點比鈉低,不斷地將鉀的蒸氣分離出去,就能使反應持續進行。用真空蒸餾法可將鉀的純度提高為99.99%。由於鉀比鈉貴, 在一般情況下都用鈉代替鉀,鉀鹽的用途就比較少,但由於鉀鹽的吸濕性弱於鈉鹽,所以分析化學中常用鉀鹽做標準試劑。

主要用途

人體

鉀可以調節細胞內適宜的滲透壓和體液的酸鹼平衡,參於細胞內糖和蛋白質的代謝。

鉀缺乏

「夏打盹」醫學上也稱之為「夏季倦怠症」,它是由於夏季炎熱,溫度過高,使人體大量排汗,而隨汗液可排出大量的鉀元素,又因鉀元素得不到及時補充,從而導致人們夏季倦怠疲勞、精神不振。 鉀是人體內不可缺少的元素,一般成年人體內的含鉀元素150g左右,其作用主要是維持神經、肌肉的正常功能。因此,人體一旦缺鉀,正常的運動就會受到影響。 夏季缺鉀不僅精力和體力下降,而且耐熱能力也會降低,使人感到倦怠無力。嚴重缺鉀時,可導致人體內酸鹼平衡失調、代謝紊亂、心律失常,全身肌肉無力、懶動。此時,有些人為了使自己少出汗而過量地飲用鹽開水。殊不知,這樣做又容易加重心臟負擔,使體內鉀、鈉平衡失調。而適當補充鉀元素則有利於改善體內鉀、鈉平衡,既可以防止血壓上升,又可防止血壓過低。下面介紹一些含鉀元素較高的食物。 一、糧食中,以蕎麥、玉米、紅薯、大豆等含鉀元素較高。 二、水果中,以香蕉含鉀元素最豐富。 三、蔬菜中,以菠菜、莧菜、香菜、油菜、甘藍、芹菜、大蔥、青蒜、萵筍、土豆、山藥、鮮豌豆、毛豆等含鉀元素較高。 四、海藻類,含鉀元素相當豐富,如紫菜每百克含鉀1640毫克,是含鈉的175倍;海帶含鉀是含鈉的22倍;羊棲菜含鉀是鈉的3.1倍。因此,紫菜湯、紫菜蒸魚、紫菜肉丸、涼拌海帶絲、海帶燉肉等都是夏季補鉀菜餚的上品. 鉀是人體生長必需的營養素。它占人體無機鹽的5%,對保持健全的神經系統和調節心臟節律非常重要。它能防止中風,維持正常的肌肉收縮,與鈉共同維持體液平衡。臨床上有許多病人因各種原因缺鉀,如頻繁嘔吐、腹瀉和長期胃腸引流使鉀從消化道中的排出增加;某些腎臟疾病和應用排鉀利尿劑使鉀從腎臟排泄增加;腎上腺皮質機能亢進症患者或長期應用腎上腺皮質激素治療,促使鉀排泄增加;高溫作業、高強度勞動和訓練,造成大量出汗而損失鉀等。上述原因導致體內鉀的總量減少,當血清鉀低於3.5mmol /L,結合病情可判斷為低鉀血症。 缺鉀時臨床症狀常為原發疾病掩蓋,鉀缺乏使神經肌肉應激性降低,全身無力,反應力降低,嚴重者可至軟癱和呼吸困難;消化道功能紊亂,有厭食、噁心、嘔吐、脹氣,嚴重者有腸麻痹和腸梗阻。缺鉀使心肌應激性增高,出現心律失常,可有房室傳導阻滯,甚至發生房顫和室顫。 缺鉀的治療應在積極治療原發疾病、去除病因的基礎上,減少失鉀。在醫生考慮藥物補鉀的同時,輕度缺鉀和慢性缺鉀能口服進食的病人,應該多進食含鉀豐富的食物。 我從許多資料中看到,鉀這種礦物質對於治療嚴重高血壓、中風、肌肉萎縮、心臟病、軟骨病、甚至癌症都有作用。由於鉀的推薦攝入量介於2000 4000毫克之間,而且鉀在拯救生命的過程中到底能起多少作用尚未證實,我建議大家平時儘可能多食用含鉀的食物,因為人體內的鉀主要來自食物。豆類(如黑豆、菜豆、新鮮豌豆)、瘦肉、乳製品、蛋類、馬鈴薯、茶葉、葵花子、穀物、葡萄乾、綠葉蔬菜(如菠菜、甜菜等)、水果(如香蕉、橘子、檸檬、杏、梅、油桃)等,含鉀豐富。由於鉀主要存在細胞內,組織破壞後溶解析出,因此水果汁、蔬菜湯、肉汁中含量相對豐富,缺鉀的人可以多喝些用上述含鉀豐富的食物熬製的美味濃湯。但是,一些腎功能衰竭致血鉀偏高的病人就需要限食上述食品了。*[1]

鉀過量

血清鉀測定>5.5mmol/L時,稱為高鉀血症。正常從飲食中攝入鉀量遠低於腎臟排鉀量,故引起高血鉀的原因大多與腎功能減退,不能有效地排出鉀而致體內鉀增多有關。可分為三類:a.腎排鉀困難,如急性腎功能衰竭的少尿階段、鹽皮質激素不足等;b.進入體內(血液內)的鉀過多,如靜脈輸入過多,過快,輸注大劑量青黴素鉀鹽或大劑量庫存血,服用含鉀藥物等;c.細胞內鉀移入細胞外液,如缺氧、酸中毒、持續性抽搐、大量溶血、大量內出血、大血腫、擠壓綜合徵等均可使細胞內鉀釋出。供參考。 腎臟病人的「隱形殺手」——高血鉀上海瑞金醫院錢瑩如果腎臟調節水分和電解質的功能喪失,腎臟病人就會發生少尿和水腫。少尿時,由於排鉀減少可有鉀瀦留,使用保鉀利尿劑的病人 在浮腫消退時,可出現高血鉀。當血鉀>6.5毫摩爾/升時,即可導致 患者的心臟在數秒至數分鐘內停止跳動。因此,說高血鉀是慢性腎病的「隱形殺手」一點兒也不過分。 輕度高鉀血症是指血鉀<6毫摩爾/升者,一般需要密切觀察,嚴 格限制攝入含鉀量高的食物和藥物。含鉀高的藥物包括部分中藥、血 製品、某些降壓藥和保鉀利尿劑等。高鉀食品有香蕉、柑橘、土豆、 西紅柿、南瓜、茶葉、醬油、味精等。通過冷凍、浸泡、棄去湯汁, 就能減少這些食物中的鉀。*[2] 中、重度高鉀血症是指血鉀>6.5毫摩爾/升者,除需注意以上事 項外,還應靜注葡萄糖酸鈣、5%碳酸氫鈉(心功能不全者慎用)、 高滲葡萄糖(需皮下注射胰島素)和進行透析治療。*[3]

植物

鉀能促進植株莖稈健壯,改善果實品質,增強植株抗寒能力,提高果實的糖分和維生素C的含量,和氮、磷的情況一樣,缺鉀症狀首先出現於老葉。鉀素供應不足時,碳水化合物代謝受到干擾,光合作用受抑制,而呼吸作用加強。因此,缺鉀時植株抗逆能力減弱,易受病害侵襲,果實品質下降,着色不良。瓜、果、番茄等對鉀肥的需求主要是在果實迅速膨大期。

鉀肥一般是在基肥、沖施、追施、噴施和無土營養栽培時施入,果實膨大前期沖施、追施或葉面噴施0.5%磷酸二氫鉀、硝酸鉀、硫酸鉀、氯化鉀溶液。氯化鉀不能用於瓜類和煙葉。

鉀不足時,植株莖稈柔弱,易倒伏,抗寒性和抗旱性均差;葉片變黃,逐漸壞死。由於鉀能移動到嫩葉,缺鉀開始在較老的葉,後來發展到植株基部,也有葉緣枯焦,葉子彎卷或皺縮。 促進酶的活化。 生物體中有60多種酶需要鉀離子作為活化劑。 促進光能的利用,增強光合作用。首先K+能保持葉綠體內類囊體膜的正常結構,缺K+時類囊體膜結構鬆散,影響光合作用的正常進行。同時又能促進類囊體膜上質子梯度的形成和光合磷酸化作用。 有利於植物正常的呼吸作用,改善能量代謝。 增強植株體內物質的合成和轉運。比如,碳水化合物的合成與運轉;增強蛋白質與核蛋白的合成;促進豆科植物根瘤菌的固氮作用。 增強植物的抗性。 增強抗凍性、抗旱、抗鹽的能力; 增強植物對病蟲害的抗性。試驗表明,增施適量的鉀肥,能有效地減少水稻的胡麻葉斑病、稻瘟病、紋枯病等;麥類的白粉病、赤霉病及小麥的鏽病等等。 減少水稻受還原性物質的危害。

儲存方法

金屬鉀很活潑,需隔絕空氣和水儲存。一般把鉀、鈉儲存在煤油和液體石蠟中。

儲存庫房應通風低溫乾燥;與酸、氧化劑分開存放。 貯存和使用都要注意安全,由金屬鉀引起的火災,不能用水或泡沫滅火劑撲滅,而要用碳酸鈉乾粉。鉀也對皮膚有很強的腐蝕性。

參考文獻

  1. 鉀對人體健康有什麼作用?低鉀真的會致死嗎?. 01 七月 2018 [26 三月 2020] (中文). 
  2. 高血壓患者飲食切莫忽視「鉀」. 27 十一月 2015 [26 三月 2020] (中文). 
  3. 可怕的高鉀血症. 14 五月 2019 [26 三月 2020] (中文).