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钾 19K
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外觀
金属:银白色
概況
名稱·符號·序數钾(Potassium)·K·19
元素類別碱金属
·週期·1·4·s
標準原子質量39.0983(1)
电子排布[Ar] 4s1
2,8,8,1
钾的电子層(2,8,8,1)
钾的电子層(2,8,8,1)
歷史
發現汉弗里·戴维(1807年)
分離汉弗里·戴维(1807年)
物理性質
物態固体
密度(接近室温
0.862 g·cm−3
熔点時液體密度0.828 g·cm−3
熔点336.53 K,63.38 °C,146.08 °F
沸點1032 K,759 °C,1398 °F
三相点336.35 K(63 °C), kPa
熔化热2.33 kJ·mol−1
汽化热76.9 kJ·mol−1
比熱容29.6 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 473 530 601 697 832 1029
原子性質
氧化态+1, −1
(强碱性)
电负性0.82(鲍林标度)
电离能第一:418.8 kJ·mol−1

第二:3052 kJ·mol−1
第三:4420 kJ·mol−1

更多
原子半径227 pm
共价半径203±12 pm
范德华半径275 pm
钾的原子谱线
雜項
晶体结构体心立方
磁序顺磁性
電阻率(20 °C)72 n Ω·m
熱導率102.5 W·m−1·K−1
膨脹係數(25 °C)83.3 µm·m−1·K−1
聲速(細棒)(20 °C)2000 m·s−1
杨氏模量3.53 GPa
剪切模量1.3 GPa
体积模量3.1 GPa
莫氏硬度0.4
布氏硬度0.363 MPa
CAS号7440-09-7
同位素
主条目:钾的同位素
同位素 丰度 半衰期t1/2 衰變
方式 能量MeV 產物
39K 93.2581% 穩定,帶20粒中子
40K 0.0117% 1.248×109  β 1.311 40Ca
ε 1.505 40Ar
β+ 0.483 40Ar
41K 6.7302% 穩定,帶22粒中子

jiǎ(英語:Potassium),是一種化學元素化學符號K(源于拉丁語Kalium),原子序數为19,原子量39.0983 u[2]

鉀最早於植物的灰燼中所分離出,故其名稱源自植物的灰燼(英語:pot ash)。在元素週期表中,鉀屬於鹼金族,所有鹼金屬在外部電子殼中都具有單價電子在離子鹽中發生。其易被去除電子而形成具有正電荷的離子──陽離子(陽離子可與陰離子結合形成鹽)。

鉀元素在自然界裡僅以離子化合物存在,是一種柔軟的銀白色鹼性金屬。在空氣中會迅速氧化,遇水會劇烈反應,產生足夠的熱量以點燃反應中釋放的氫氣,並放出藍紫色的火焰。它被發現溶解於海水(自然界中的鉀以化合物的形式溶解於海水中,按重量百分比計為0.04%[3][4]),是許多礦物質的一部分。

鉀與的化學性質非常相似,而鈉是元素週期表第1族中鉀的前一個元素。它們具有相似的第一電離能,讓原子丟棄其最外層唯一的電子。在1702年[5],鉀與鈉被懷疑可以與相同的陰離子結合形成類似的鹽類,並且在1807年以電解證明。天然存在的鉀由三種同位素組成,其中的40
K
放射性的。微量的40
K
存在於所有鉀中,它是人體中最常見的放射性同位素。

鉀離子對所有活細胞的功能非常重要。正常的神經傳遞需要鉀離子通過神經細胞膜轉移;過低或過量的鉀也都會導致許多身體的徵兆或症狀,包括心律異常和各種心電圖異常。新鮮水果和蔬菜是鉀的良好來源。身體攝取鉀時,血漿中的鉀離子濃度會上升,造成鉀離子從細胞外往細胞內移動,增加腎臟對鉀離子的代謝。

鉀的大多數工業應用了鉀化合物(例如鉀)在水中的的高溶解度。含鉀的農業肥料佔了全球鉀化學產物的95%,用於補救因大量生產作物而耗盡鉀的土壤。 [6]

性質

钾的熔点硬度低,比更活泼,在空气中很快氧化。钾的密度小于水,大于煤油。鉀和水會產生劇烈反應(產生高温使自己熔成一個銀白色的球,釋放大量,使金属球在水面高速移動,氢气燃烧,可以看到紫藍色的火焰,生成氢氧化钾。方程式如下:

钾可以和卤族、氧族元素反应,还可以使其他金属的盐类还原(熔融状态下),对有机物有很强的还原作用。

鉀容易與反應 在表面形成紫色的氧化鉀

鉀為爆炸性易燃的物質,一般以汽油煤油封存。

发现

1807年由英国化学家戴维首次用电解法从熔融氢氧化钾中制得金属钾,并定名。

名称由来

拉丁語kalium,這個單字不存在於古典拉丁語中,這是由永斯·贝采利乌斯創造的新拉丁文名詞。這個名詞起源於阿拉伯语:القَلْيَه‎(al-qalyah),本義為植物灰燼。qaly是刺沙蓬一类的植物,古人焚烧这种植物,从灰烬中可以的得到不纯的钾盐和钠盐混合物,进而和石灰水反应可以得到强碱溶液。這個阿拉伯名詞傳入歐洲後,被拼為alkali,意為永斯·贝采利乌斯以此命名钾为kalium。

鉀英文名「potassium」則由「Potash」衍生而來。当时的人们焚烧木材,其灰烬用水浸泡,取上清液,在铜锅里煮沸除去水分,可得不纯的钾盐混合物,称为草木灰(英語:Potash,Pot-Ashes:pot锅,ash灰烬,译作“草木灰”)。戴维使用的氢氧化钾就是从草木灰转化而来的,因此将钾命名为potassium。

分布

钾在自然界中只以化合物形式存在。在云母钾长石硅酸盐中都富含钾。钾在地壳中的含量约为2.09%,居第七位。在海水中以钾离子的形式存在,含量约为0.1%。钾在海水中含量比离子少的原因是由于被土壤植物吸收多。在动植物体内也含有钾。正常人体内约含钾175克,其中98%的钾贮存于细胞液内,是细胞内最主要的阳离子。

制备

这种元素通过将其常见的氢氧化物进行电解而得到。將氢氧化钾卤化物进行熔融电解,再经真空蒸餾製得。 早期,由法国化学家給呂薩克泰纳尔发明的隔绝空气加强热于碳酸钾、碳粉、铁粉、明矾混合物的方法也被用于制备粗钾,并被用于当时的一种打火机中。

同位素

已发现的钾的同位素共有16种,包括钾35至钾50,其中只有钾39钾41是稳定的,其他同位素都带有放射性

應用

钾主要用作还原剂及用于合成中。钾的化合物在工业上用途很广。钾盐可以用于制造化肥肥皂。钾对动植物的生长和发育起很大作用,是植物生长的三大营养元素之一。

鉀金屬在工業上可作為較強的還原劑。鈉鉀合金在一些特殊冷卻設備中作為熱傳導的媒介。

对人体的影响

營養代謝

鉀是人體必需的礦物質營養素,是體細胞內主要的陽離子,體重70公斤的成年男性體內,鉀含量約3500mEq。飲食中的鉀離子在小腸中很容易被吸收。人體鉀離子主要流失途徑有80-90%是由腎臟經尿液排除,其餘10-20%是由糞便排出。腎臟對於鉀離子具有調控作用,藉以維持鉀離子濃度在正常範圍內。基於彌補身體的流失量以維持正常儲存及血漿濃度的平衡,成人每日的最小需要量為200 mg。含鉀豐富的食物页面存档备份,存于互联网档案馆)包括乳制品、水果蔬菜、瘦内脏香蕉葡萄干、金枪鱼、菠菜、鳄梨、酸奶、鲑鱼、石榴、扁豆、蘑菇、牛奶[7]等。飲食建議攝取量如下:

美國DRI建議之鉀充足攝取量(Adequate Intake, AI)[8]
鉀充足攝取量 (公克/天)
0.4
0.7
3.0
3.8
4.5
4.7
4.7
5.1

钾可以调节细胞内适宜的渗透压体液的酸碱平衡,参與细胞蛋白质的代谢。有助于维持神经健康、心跳规律正常,可以预防中风,并协助肌肉正常收缩。在摄入高钠而导致高血压时,钾具有降血压作用。細胞對鉀的調節與鈉鉀泵(Na+/K+ pump)和鉀離子通道有關。

低血鉀(Hypokalemia)

人体钾缺乏可引起心跳不规律和加速、心电图异常、肌肉衰弱和烦躁,最后导致心跳停止。一般而言,身体健康的人,会自动将多余的钾排出体外。但肾病患者则要特别留意,避免摄取过量的钾。

導致低血鉀的原因包括:長期嘔吐、腹瀉、糖尿病酸中毒、神經性厭食症、長期營養不良、慢性酒精中毒、腎上腺腫瘤、燙傷、臨床上常見的電解質異常、吸收不良或血鉀過度流失、或使用某些藥物而使血中之鉀濃度不夠。輕度低血鉀(血清鉀濃度3.0-3.5meq/L)經常是沒有症狀;中度低血鉀(血清鉀濃度2.5-3.0meq/L)有非特異性的症狀像是虛弱、疲倦、便秘等;嚴重低血鉀(血清鉀濃度<2.5meq/L)可能發生肌肉壞死,甚至呼吸肌麻痺衰竭。補充鉀離子是治療低血鉀的最根本辦法。[9][10]

高血鉀(Hyperkalemia)

血中鉀離子濃度高於5.5 mEq/L時稱為高血鉀,可能因攝取過多、排泄減少、或因鉀離子由細胞內轉移至細胞外液等原因造成。一般以腎臟衰竭病患容易發生高血鉀。當人體發生高血鉀時,會有血壓降低、心律不整、心電圖改變、嚴重時會有心室纖維顫動、心跳停止。神經肌肉的症狀在早期為肌肉震顫、痙攣、感覺異常等情形,晚期則會有肌肉無力、弛緩性麻痺、呼吸停止。此外也會出現噁心、嘔吐、腸蠕動增加、腹瀉、腹絞痛等消化系統的症狀及少尿、無尿等泌尿系統的症狀。[9]

相關遺傳性疾病

  • 家族性低血鉀週期性無力症(familial hypokalemic periodic paralysis),為自體顯性遺傳疾病,相當罕見。突變的基因CACNL1A3是一種鈣離子通道。疾病的特徵是突然發生的肌肉麻痺與血清鉀濃度<2.5meq/L。血鉀減少的原因可能是大量攝取碳水化合物或鈉離子而誘發,會在24小時內自然消退,但有時會引起致命性心率不整[11]
  • 李德爾氏綜合徵(Liddle's syndrome)為隱性遺傳疾病。此遺傳異常會因為礦物皮質醛酮增高,影響到腎臟離子輸送活性,刺激集尿管細胞對鈉離子的再吸收,造成代謝性鹼中毒和低血鉀。
  • 巴特氏症候群(Bartter's syndrome)為亨利氏環(loop of Henle)和近曲小管鈉運輸蛋白(chloride-associated sodium transporters)失去活性或功能[12]
  • 吉特曼氏綜合症(Gitelman's syndrome)是腎臟遠曲小管(distal convoluted tubule)鈉運輸蛋白失去活性或功能。

参考资料

  1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds页面存档备份,存于互联网档案馆), in Lide, D. R. (编), CRC Handbook of Chemistry and Physics 86th, Boca Raton (FL): CRC Press, 2005, ISBN 0-8493-0486-5 
  2. ^ 夏征农陈至立 (编). 《辞海》第六版彩图本. 上海: 上海辞书出版社. 2009年: 第3227页. ISBN 9787532628599. 
  3. ^ Webb, D. A. The Sodium and Potassium Content of Sea Water (PDF). The Journal of Experimental Biology. April 1939, (2): 183 [2019-02-22]. (原始内容 (PDF)存档于2019-09-24). 
  4. ^ Anthoni, J. Detailed composition of seawater at 3.5% salinity. seafriends.org.nz. 2006 [2011-09-23]. (原始内容存档于2019-01-18). 
  5. ^ Marggraf, Andreas Siegmund. Chymische Schriften. 1761: 167 [2019-02-22]. (原始内容存档于2021-04-29). 
  6. ^ Greenwood, p. 73
  7. ^ WebMD 网医生. 含钾高的食物一览表,富含钾的蔬菜,富含钾的食物和水果. WebMD. 2019-01-16. (原始内容存档于2021-04-17). 
  8. ^ Institute of Medicine(2005)Dietary Reference Intakes for Water, Potassium, Sodium, Chloride, and Sulfate. pp. 186-268. National Academy Press, ISBN 978-0-309-53049-1
  9. ^ 9.0 9.1 長庚生物科技股份有限公司. www.cgb.com.tw. [2007-12-22]. (原始内容存档于2021-04-15). 
  10. ^ 存档副本. [2007-12-22]. (原始内容存档于2007-11-04). 
  11. ^ 存档副本. [2007-12-22]. (原始内容存档于2017-07-30). 
  12. ^ [1][永久失效連結]

外部連結