Калий — химический элемент ; он имеет символ K (от новолатинского kalium ) и атомный номер 19. Это серебристо-белый металл, который достаточно мягкий, чтобы его можно было легко разрезать ножом. [8] Металлический калий быстро реагирует с кислородом воздуха , образуя хлопьевидную белую перекись калия всего за несколько секунд воздействия. Впервые он был выделен из поташа , золы растений, от которой и произошло его название. В периодической таблице калий является одним из щелочных металлов , все из которых имеют один валентный электрон во внешней электронной оболочке, который легко удаляется, создавая ион с положительным зарядом (который соединяется с анионами , образуя соли ). В природе калий встречается только в ионных солях. Элементарный калий бурно реагирует с водой, выделяя достаточно тепла для воспламенения водорода , выделяющегося в реакции, и горит сиреневым пламенем . Он растворен в морской воде (содержащей 0,04% калия по весу) [9] [10] и встречается во многих минералах, таких как ортоклаз , распространенный компонент гранитов и других магматических пород . [11]
Калий химически очень похож на натрий , предыдущий элемент в группе 1 периодической таблицы. Они имеют схожую первую энергию ионизации , которая позволяет каждому атому отдать свой единственный внешний электрон. Впервые было высказано предположение в 1702 году, что это разные элементы, которые объединяются с теми же анионами, образуя похожие соли, [12] что было продемонстрировано в 1807 году, когда элементарный калий был впервые выделен с помощью электролиза . Природный калий состоит из трех изотопов , из которых40K радиоактивен . Следы40
Калий содержится во всех соединениях калия и является наиболее распространенным радиоизотопом в организме человека.
Ионы калия жизненно важны для функционирования всех живых клеток. Перенос ионов калия через мембраны нервных клеток необходим для нормальной нервной передачи; дефицит и избыток калия могут привести к многочисленным признакам и симптомам, включая аномальный сердечный ритм и различные электрокардиографические отклонения. Свежие фрукты и овощи являются хорошими диетическими источниками калия. Организм реагирует на приток диетического калия, который повышает уровень калия в сыворотке , перемещая калий извне внутрь клеток и увеличивая выведение калия почками.
Большинство промышленных применений калия используют высокую растворимость его соединений в воде, например, мыла с соленой водой . Интенсивное производство сельскохозяйственных культур быстро истощает почву калия, и это можно исправить с помощью сельскохозяйственных удобрений, содержащих калий, на долю которых приходится 95% мирового производства химикатов калия. [13]
Английское название элемента калий происходит от слова potash [14] , которое относится к раннему методу извлечения различных солей калия: помещать в горшок золу сожженного дерева или листьев деревьев, добавлять воду, нагревать и выпаривать раствор. Когда Гемфри Дэви впервые выделил чистый элемент с помощью электролиза в 1807 году, он назвал его калием , что он получил от слова potash .
Символ K происходит от kali , который, в свою очередь, происходит от корня alkali , который, в свою очередь, происходит от арабского : القَلْيَه al-qalyah 'растительный пепел'. В 1797 году немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил «поташ» в минералах лейците и лепидолите и понял, что «поташ» не является продуктом роста растений, а на самом деле содержит новый элемент, который он предложил назвать kali . [15] В 1807 году Гемфри Дэви получил элемент с помощью электролиза: в 1809 году Людвиг Вильгельм Гильберт предложил название Kalium для «калия» Дэви. [ 16] В 1814 году шведский химик Берцелиус отстаивал название kalium для калия с химическим символом K. [17]
Англо- и франкоговорящие страны приняли название Potassium , которое предпочитали Дэви и французские химики Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар , тогда как другие германские страны приняли название Kalium , предложенное Жильбером и Клапротом . [18] «Золотая книга» Международного союза теоретической и прикладной химии обозначила официальный химический символ как K. [19]
Калий — второй наименее плотный металл после лития . Это мягкое твердое вещество с низкой температурой плавления , которое можно легко разрезать ножом. Калий имеет серебристый вид, но он начинает тускнеть и становиться серым сразу же при контакте с воздухом. [20] В испытании на пламя калий и его соединения излучают сиреневый цвет с пиковой длиной волны излучения 766,5 нанометров. [21]
Нейтральные атомы калия имеют 19 электронов, на один больше, чем конфигурация благородного газа аргона . Из-за своей низкой первой энергии ионизации 418,8 кДж/моль, атом калия с гораздо большей вероятностью потеряет последний электрон и приобретет положительный заряд, хотя отрицательно заряженные щелочные ионы K − не являются невозможными. [22] Напротив, вторая энергия ионизации очень высока (3052 кДж/моль).
Калий реагирует с кислородом, водой и компонентами углекислого газа в воздухе. С кислородом он образует перекись калия . С водой калий образует гидроксид калия (KOH). Реакция калия с водой может быть бурно экзотермической , особенно потому, что попутно образующийся водородный газ может воспламеняться. Из-за этого калий и жидкий сплав натрия и калия ( NaK ) являются мощными осушителями , хотя они больше не используются как таковые. [23]
Четыре оксида калия хорошо изучены: оксид калия ( K2O ), пероксид калия ( K2O2 ) , супероксид калия ( KO2 ) [24] и озонид калия ( KO3 ). Бинарные соединения калия с кислородом реагируют с водой , образуя KOH .
KOH является сильным основанием . Иллюстрируя его гидрофильный характер, до 1,21 кг KOH может раствориться в одном литре воды. [25] [26] Безводный KOH встречается редко. KOH легко реагирует с диоксидом углерода ( CO2 ) , образуя карбонат калия ( K2CO3 ), и в принципе может использоваться для удаления следов газа из воздуха. Как и близкородственный гидроксид натрия , KOH реагирует с жирами , образуя мыла .
В целом, соединения калия являются ионными и, благодаря высокой энергии гидратации иона K + , обладают превосходной растворимостью в воде. Основными видами в водном растворе являются аквакомплексы [K(H 2 O) n ] + , где n = 6 и 7. [27]
Гептафторотанталат калия ( K2 [ TaF7 ] ) является промежуточным продуктом при очистке тантала от стойкого загрязняющего вещества ниобия . [28]
Калийорганические соединения иллюстрируют неионные соединения калия. Они характеризуются высокополярными ковалентными связями K–C. Примерами являются бензилкалий KCH 2 C 6 H 5 . Калий интеркалирует в графит , образуя множество интеркалированных соединений графита , включая KC 8 .
Известно 25 изотопов калия, три из которых встречаются в природе:39
К (93,3%),40
К (0,0117%) и41
K (6,7%) (по молярной доле). Встречается в природе40Период полураспада К составляет1.250 × 10 9 лет. Распадается до стабильного40Ar путем захвата электронов или испускания позитронов (11,2%) или до стабильного состояния40Ca путем бета-распада (88,8%). [29] Распад40
К к40
Ar является основой общепринятого метода датирования горных пород. Обычный метод датирования K-Ar основан на предположении, что горные породы не содержали аргона во время формирования и что весь последующий радиогенный аргон (40
Ar ) количественно удерживался. Минералы датируются путем измерения концентрации калия и количества радиогенного40
Ar , который накопился. Минералы, наиболее подходящие для датирования, включают биотит , мусковит , метаморфическую роговую обманку и вулканический полевой шпат ; образцы цельных пород из вулканических потоков и неглубоких интрузивов также могут быть датированы, если они не изменены. [29] [30] Помимо датирования, изотопы калия использовались в качестве трассеров в исследованиях выветривания и для исследований круговорота питательных веществ , поскольку калий является макроэлементом , необходимым для жизни [31] на Земле.
40
Калий содержится в природном калии (и, следовательно, в некоторых коммерческих заменителях соли) в достаточном количестве, чтобы большие мешки этих заменителей можно было использовать в качестве радиоактивного источника для демонстраций в классе.40
K — радиоизотоп с наибольшим содержанием в организме человека . У здоровых животных и людей40
К представляет собой крупнейший источник радиоактивности, даже больший, чем14C. В теле человека весом 70 кг около 4400 ядер40
Распад калия в секунду. [32] Активность природного калия составляет 31 Бк /г. [33]
Поташ в первую очередь представляет собой смесь солей калия, поскольку в растениях мало или совсем нет натрия, а остальная часть основного минерального содержания растения состоит из солей кальция с относительно низкой растворимостью в воде. Хотя поташ использовался с древних времен, его состав не был понят. Георг Эрнст Шталь получил экспериментальные доказательства, которые привели его к предположению о принципиальном различии солей натрия и калия в 1702 году [12] , а Анри Луи Дюамель дю Монсо смог доказать это различие в 1736 году [34]. Точный химический состав соединений калия и натрия, а также статус калия и натрия как химических элементов тогда не были известны, и поэтому Антуан Лавуазье не включил щелочь в свой список химических элементов в 1789 году [35] [36] Долгое время единственными значительными применениями поташа были производство стекла, отбеливателя, мыла и пороха в виде нитрата калия. [37] Калийные мыла из животных жиров и растительных масел особенно ценились, поскольку они, как правило, более растворимы в воде и имеют более мягкую текстуру, и поэтому известны как мягкие мыла. [13] Открытие Юстусом Либихом в 1840 году того, что калий является необходимым элементом для растений и что большинство типов почв не содержат калия [38], вызвало резкий рост спроса на калийные соли. Древесная зола от пихт изначально использовалась в качестве источника калийной соли для удобрения, но с открытием в 1868 году месторождений полезных ископаемых, содержащих хлорид калия, около Штассфурта , Германия, производство калийсодержащих удобрений началось в промышленных масштабах. [39] [40] [41] Были обнаружены другие месторождения калия, и к 1960-м годам Канада стала доминирующим производителем. [42] [43]
Металлический калий был впервые выделен в 1807 году Хэмфри Дэви, который получил его электролизом расплавленного едкого кали (KOH) с помощью недавно открытого вольтова столба . Калий был первым металлом, который был выделен электролизом. [44] Позже в том же году Дэви сообщил об извлечении металлического натрия из минерального производного ( едкого натра , NaOH или щелока), а не из растительной соли, с помощью похожей техники, продемонстрировав, что элементы, а следовательно, и соли, различны. [35] [36] [45] [46] Хотя получение металлического калия и натрия должно было показать, что оба являются элементами, потребовалось некоторое время, прежде чем эта точка зрения была принята повсеместно. [36]
Из-за чувствительности калия к воде и воздуху для работы с этим элементом обычно используются безвоздушные методы . Он не реагирует с азотом и насыщенными углеводородами, такими как минеральное масло или керосин . [47] Он легко растворяется в жидком аммиаке , до 480 г на 1000 г аммиака при 0 °C. В зависимости от концентрации растворы аммиака имеют цвет от синего до желтого, а их электропроводность аналогична электропроводности жидких металлов. Калий медленно реагирует с аммиаком, образуя KNH2, но эта реакция ускоряется малыми количествами солей переходных металлов. [48] Поскольку он может восстанавливать соли до металла, калий часто используется в качестве восстановителя при получении тонкоизмельченных металлов из их солей методом Рике . [49] Показательным является получение магния:
Калий образуется в сверхновых путем нуклеосинтеза из более легких атомов. Калий в основном создается в сверхновых типа II посредством взрывного процесса сжигания кислорода . [50] Это реакции ядерного синтеза , не путать с химическим сжиганием калия в кислороде.40
K также образуется в s-процессе нуклеосинтеза и процессе горения неона . [51]
Калий — 20-й по распространенности элемент в Солнечной системе и 17-й по распространенности элемент на Земле по весу. Он составляет около 2,6% веса земной коры и является седьмым по распространенности элементом в коре. [52] Концентрация калия в морской воде составляет 0,39 г/л [9] (0,039 вес/об.%), что составляет примерно одну двадцать седьмую концентрации натрия. [53] [54]
Элементарный калий не встречается в природе из-за своей высокой реакционной способности. Он бурно реагирует с водой [47] , а также реагирует с кислородом. Ортоклаз (калиевый полевой шпат) является распространенным породообразующим минералом. Например, гранит содержит 5% калия, что значительно выше среднего в земной коре. Сильвин (KCl), карналлит ( KCl·MgCl 2 ·6H 2 O ), каинит ( MgSO 4 ·KCl·3H 2 O ) и лангбейнит ( MgSO 4 ·K 2 SO 4 ) являются минералами, обнаруженными в крупных эвапоритовых месторождениях по всему миру. Месторождения часто показывают слои, начинающиеся с наименее растворимого внизу и наиболее растворимого наверху. [54] Месторождения селитры ( нитрата калия ) образуются путем разложения органического материала при контакте с атмосферой, в основном в пещерах; Из-за хорошей растворимости селитры в воде образование более крупных отложений требует особых условий окружающей среды. [55]
Калийные соли, такие как карналлит , лангбейнит , полигалит и сильвит, образуют обширные эвапоритовые отложения на дне древних озер и морей , [53] делая добычу калийных солей в этих средах коммерчески выгодной. Основной источник калия — поташ — добывается в Канаде , России , Беларуси , Казахстане , Германии , Израиле , США, Иордании и других местах по всему миру. [56] [57] [58] Первые разрабатываемые месторождения были расположены недалеко от Штасфурта, Германия, но месторождения простираются от Великобритании через Германию до Польши. Они расположены в цехштейне и были отложены в средней и поздней перми . Самые крупные месторождения, когда-либо найденные, лежат на глубине 1000 метров (3300 футов) под поверхностью канадской провинции Саскачеван . Месторождения расположены в группе Элк-Пойнт, образованной в среднем девоне . Саскачеван, где с 1960-х годов действовало несколько крупных шахт, стал пионером в технологии замораживания влажных песков (формация Блэрмор) для проходки шахтных стволов через них. Основной компанией по добыче калия в Саскачеване до ее слияния была Potash Corporation of Saskatchewan , теперь Nutrien . [59] Вода Мертвого моря используется Израилем и Иорданией в качестве источника калия, в то время как концентрация в обычных океанах слишком низка для коммерческой добычи по текущим ценам. [57] [58]
Для отделения солей калия от соединений натрия и магния используется несколько методов. Наиболее используемый метод — фракционное осаждение с использованием различий в растворимости солей. Электростатическое разделение смеси измельченной соли также используется в некоторых шахтах. Полученные отходы натрия и магния либо хранятся под землей, либо складываются в шлаковые отвалы . Большая часть добытого калийного минерала после переработки превращается в хлорид калия. В горнодобывающей промышленности хлорид калия называют либо поташем, либо хлористым калием, либо просто хлористым калием. [54]
Чистый металлический калий можно выделить электролизом его гидроксида в процессе, который мало изменился с тех пор, как его впервые применил Гемфри Дэви в 1807 году. Хотя процесс электролиза был разработан и использовался в промышленных масштабах в 1920-х годах, термический метод, основанный на взаимодействии натрия с хлоридом калия в химической равновесной реакции, стал доминирующим методом в 1950-х годах.
Производство сплавов натрия и калия осуществляется путем изменения времени реакции и количества натрия, используемого в реакции. Процесс Грисхаймера, использующий реакцию фторида калия с карбидом кальция, также использовался для производства калия. [54] [60]
Химически чистый металлический калий стоил около 10,00 долл. США за фунт (22 долл. США за кг ) в 2010 году при покупке тоннами . Металлы с более низкой чистотой значительно дешевле. Рынок нестабилен, поскольку долгосрочное хранение металла затруднено. Его необходимо хранить в атмосфере сухого инертного газа или безводного минерального масла, чтобы предотвратить образование поверхностного слоя супероксида калия , взрывчатого вещества , чувствительного к давлению , которое детонирует при царапании. В результате взрыва часто возникает пожар, который трудно потушить. [61] [62]
В настоящее время количественное определение калия осуществляется с помощью методов ионизации, но когда-то его количественно определяли с помощью гравиметрического анализа .
Реагенты, используемые для осаждения солей калия, включают тетрафенилборат натрия , гексахлорплатиновую кислоту и кобальтитрит натрия в тетрафенилборат калия , гексахлорплатинат калия и кобальтитрит калия соответственно . [47] Реакция с кобальтитритом натрия является иллюстративной:
Нитрит кобальта калия получается в виде желтого твердого вещества.
.jpg/1280px-Patentkali_(Potassium_sulfate_with_magnesium).jpg)
Ионы калия являются важным компонентом питания растений и встречаются в большинстве типов почв . [13] Они используются в качестве удобрения в сельском хозяйстве , садоводстве и гидропонной культуре в форме хлорида ( KCl ), сульфата ( K2SO4 ) или нитрата ( KNO3 ), представляя «K» в «NPK» . Сельскохозяйственные удобрения потребляют 95% мирового производства калийных химикатов, и около 90% этого калия поставляется в виде KCl. [ 13 ] Содержание калия в большинстве растений колеблется от 0,5% до 2 % от собранного веса урожая , условно выражаемого как количество K2O . Современное высокоурожайное сельское хозяйство зависит от удобрений для восполнения калия, потерянного при сборе урожая . Большинство сельскохозяйственных удобрений содержат хлорид калия, в то время как сульфат калия используется для культур, чувствительных к хлориду, или культур, которым требуется более высокое содержание серы. Сульфат производится в основном путем разложения сложных минералов каинита ( MgSO 4 ·KCl ·3H 2 O ) и лангбейнита ( MgSO 4 ·K 2 SO 4 ). Только очень немногие удобрения содержат нитрат калия. [63] В 2005 году около 93% мирового производства калия было потреблено индустрией удобрений. [58] Кроме того, калий может играть ключевую роль в круговороте питательных веществ, контролируя состав подстилки. [64]
Цитрат калия используется для лечения почечнокаменной болезни, называемой почечноканальцевым ацидозом . [65]
Калий в форме хлорида калия используется в качестве лекарственного средства для лечения и профилактики низкого уровня калия в крови . [66] Низкий уровень калия в крови может возникнуть из-за рвоты , диареи или приема некоторых лекарств. [67] Его вводят путем медленной инъекции в вену или через рот. [68]
Тартрат калия-натрия ( KNaC4H4O6, сегнетова соль ) является основным компонентом некоторых разновидностей разрыхлителя ; он также используется для серебрения зеркал. Бромат калия (KBrO3 ) является сильным окислителем ( E924 ) , используется для улучшения прочности теста и высоты подъема. Бисульфит калия ( KHSO3 ) используется в качестве пищевого консерванта, например, в виноделии и пивоварении ( но не в мясе). Он также используется для отбеливания текстиля и соломы, а также при дублении кожи . [69] [ 70 ]
Основные калийные химикаты — гидроксид калия, карбонат калия, сульфат калия и хлорид калия. Мегатонны этих соединений производятся ежегодно. [71]
KOH — сильное основание, которое используется в промышленности для нейтрализации сильных и слабых кислот , для контроля pH и производства солей калия . Он также используется для омыления жиров и масел , в промышленных очистителях и в реакциях гидролиза, например, сложных эфиров . [72] [73]
Нитрат калия ( KNO3 ) или селитра добывается из природных источников, таких как гуано и эвапориты , или производится с помощью процесса Габера ; он является окислителем в порохе ( черном порохе ) и важным сельскохозяйственным удобрением. Цианид калия (KCN) используется в промышленности для растворения меди и драгоценных металлов, в частности серебра и золота , путем образования комплексов . Его применение включает добычу золота , гальванопокрытие и электроформовку этих металлов ; он также используется в органическом синтезе для получения нитрилов . Карбонат калия ( K2CO3 или поташ ) используется в производстве стекла, мыла, цветных телевизионных трубок, люминесцентных ламп, текстильных красителей и пигментов. [ 74 ] Перманганат калия ( KMnO4 ) является окисляющим, отбеливающим и очищающим веществом и используется для производства сахарина . Хлорат калия ( KClO3 ) добавляется в спички и взрывчатые вещества . Бромистый калий (KBr) раньше использовался как седативное средство и в фотографии. [13]
Хотя хромат калия ( K2CrO4 ) используется в производстве множества различных коммерческих продуктов, таких как чернила , красители , морилки для дерева ( путем реакции с дубильной кислотой в древесине), взрывчатых веществ , фейерверков , липкой бумаги и безопасных спичек , [75] а также при дублении кожи, все эти применения обусловлены химией иона хромата , а не иона калия. [76]
Существуют тысячи применений различных соединений калия. Одним из примеров является супероксид калия , KO2 , оранжевое твердое вещество, которое действует как портативный источник кислорода и поглотитель углекислого газа. Он широко используется в системах дыхания в шахтах, подводных лодках и космических кораблях, поскольку занимает меньший объем, чем газообразный кислород. [77] [78]
Другим примером является кобальтитрит калия , K3 [ Co(NO2 ) 6 ] , который используется в качестве художественного пигмента под названием ауреолин или кобальтовый желтый. [79]
Стабильные изотопы калия могут быть охлаждены лазером и использованы для исследования фундаментальных и технологических проблем квантовой физики . Два бозонных изотопа обладают удобными резонансами Фешбаха, что позволяет проводить исследования, требующие настраиваемых взаимодействий, в то время как40
K — один из двух стабильных фермионов среди щелочных металлов. [80]
Сплав натрия и калия, NaK - это жидкость, используемая в качестве теплоносителя и осушителя для производства сухих и безвоздушных растворителей . Его также можно использовать в реактивной дистилляции . [81] Тройной сплав 12% Na, 47% K и 41% Cs имеет самую низкую температуру плавления -78 °C среди всех металлических соединений. [20]
Металлический калий используется в нескольких типах магнитометров . [82]
Калий является восьмым или девятым наиболее распространенным элементом по массе (0,2%) в организме человека, так что взрослый человек весом 60 кг содержит в общей сложности около 120 г калия. [83] В организме содержится примерно столько же калия, сколько серы и хлора, и только кальций и фосфор встречаются чаще (за исключением вездесущих элементов CHON ). [84] Ионы калия присутствуют в большом количестве белков и ферментов. [85]
Уровень калия влияет на множество физиологических процессов, включая [86] [87] [88]
Гомеостаз калия означает поддержание общего содержания калия в организме, уровня калия в плазме и соотношения внутриклеточной и внеклеточной концентраций калия в узких пределах в условиях пульсирующего поступления (приема пищи), обязательной почечной экскреции и сдвигов между внутриклеточным и внеклеточным пространством.
Уровень калия в плазме обычно поддерживается на уровне от 3,5 до 5,5 миллимоль (ммоль) [или миллиэквивалентов (мЭкв)] на литр с помощью нескольких механизмов. [91] Уровни за пределами этого диапазона связаны с повышением уровня смертности по разным причинам, [92] а некоторые заболевания сердца, почек [93] и легких прогрессируют быстрее, если уровень калия в сыворотке не поддерживается в пределах нормы.
Средний прием пищи в 40–50 ммоль обеспечивает организм большим количеством калия, чем содержится во всей плазме (20–25 ммоль). Этот всплеск вызывает повышение уровня калия в плазме до 10% перед его клиренсом через почечные и внепочечные механизмы. [94]
Гипокалиемия , дефицит калия в плазме, может быть фатальной, если она тяжелая. Распространенными причинами являются повышенные желудочно-кишечные потери ( рвота , диарея ) и повышенные почечные потери ( диурез ). [95] Симптомы дефицита включают мышечную слабость, паралитическую непроходимость кишечника , отклонения от нормы на ЭКГ, снижение рефлекторной реакции; а в тяжелых случаях — паралич дыхания, алкалоз и сердечную аритмию . [96]
Содержание калия в плазме строго контролируется четырьмя основными механизмами, имеющими различные названия и классификации. Это:
В совокупности первые три иногда называют «системой внешнего калиевого гомеостаза»; [97] а первые два — «системой реактивного калиевого гомеостаза».
Обработка калия почками тесно связана с обработкой натрия. Калий является основным катионом (положительным ионом) внутри клеток животных (150 ммоль/л, 4,8 г/л), в то время как натрий является основным катионом внеклеточной жидкости (150 ммоль/л, 3,345 г/л). В почках около 180 литров плазмы фильтруется через клубочки и в почечные канальцы в день. [100] Эта фильтрация включает около 600 мг натрия и 33 мг калия. Поскольку только 1–10 мг натрия и 1–4 мг калия, вероятно, будут заменены диетой, почечная фильтрация должна эффективно реабсорбировать остаток из плазмы.
Натрий реабсорбируется для поддержания внеклеточного объема, осмотического давления и концентрации натрия в сыворотке в узких пределах. Калий реабсорбируется для поддержания концентрации калия в сыворотке в узких пределах. [101] Натриевые насосы в почечных канальцах работают для реабсорбции натрия. Калий должен быть сохранен, но поскольку количество калия в плазме крови очень мало, а пул калия в клетках примерно в 30 раз больше, ситуация не столь критична для калия. Поскольку калий перемещается пассивно [102] [103] в противотоке к натрию в ответ на кажущееся (но не фактическое) равновесие Доннана , [104] моча никогда не может опуститься ниже концентрации калия в сыворотке, за исключением случаев активного выделения воды в конце обработки. Калий выделяется дважды и реабсорбируется трижды, прежде чем моча достигнет собирательных трубочек. [105] В этот момент моча обычно имеет примерно такую же концентрацию калия, как и плазма. В конце обработки калий секретируется еще раз, если его уровень в сыворотке слишком высок. [ необходима цитата ]
При отсутствии поступления калия он выводится из организма в количестве около 200 мг в день, пока примерно через неделю уровень калия в сыворотке не снизится до умеренно дефицитного уровня 3,0–3,5 ммоль/л. [106] Если калий по-прежнему не поступает, его концентрация продолжает падать, пока серьезный дефицит не приведет к смерти. [107]
Калий пассивно перемещается через поры в клеточной мембране. Когда ионы перемещаются через ионные транспортеры (насосы), в насосах с обеих сторон клеточной мембраны есть ворота, и только одни ворота могут быть открыты одновременно. В результате примерно 100 ионов проталкиваются в секунду. Ионные каналы имеют только одни ворота, и через них может проходить только один вид ионов, со скоростью от 10 до 100 миллионов ионов в секунду. [108] Для открытия пор требуется кальций, [109] хотя кальций может работать в обратном направлении, блокируя по крайней мере одну из пор. [110] Карбонильные группы внутри поры на аминокислотах имитируют гидратацию воды, которая происходит в водном растворе [111] по природе электростатических зарядов на четырех карбонильных группах внутри поры. [112]
Национальная медицинская академия США (NAM) от имени США и Канады устанавливает рекомендуемые нормы потребления , включая предполагаемые средние потребности (EAR) и рекомендуемые нормы потребления (RDA) или адекватные нормы потребления (AI) для случаев, когда недостаточно информации для установления EAR и RDA.
Для мальчиков и девочек в возрасте до 9 лет рекомендуемые нормы калия составляют: 400 мг калия для детей в возрасте от 0 до 6 месяцев, 860 мг калия для детей в возрасте от 7 до 12 месяцев, 2000 мг калия для детей в возрасте от 1 до 3 лет и 2300 мг калия для детей в возрасте от 4 до 8 лет.
Для мужчин в возрасте 9 лет и старше рекомендуемые нормы калия составляют: 2500 мг калия для мужчин в возрасте от 9 до 13 лет, 3000 мг калия для мужчин в возрасте от 14 до 18 лет и 3400 мг для мужчин в возрасте 19 лет и старше.
Для женщин в возрасте 9 лет и старше рекомендуемая норма калия составляет: 2300 мг калия для женщин в возрасте от 9 до 18 лет и 2600 мг калия для женщин в возрасте 19 лет и старше.
Для беременных и кормящих женщин AIs для калия составляют: 2600 мг калия для беременных женщин в возрасте от 14 до 18 лет, 2900 мг для беременных женщин в возрасте 19 лет и старше; кроме того, 2500 мг калия для кормящих женщин в возрасте от 14 до 18 лет и 2800 мг для кормящих женщин в возрасте 19 лет и старше. Что касается безопасности, NAM также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (ULs) для витаминов и минералов, но для калия доказательств было недостаточно, поэтому UL не был установлен. [113] [114]
По состоянию на 2004 год большинство взрослых американцев потребляют менее 3000 мг. [115]
Аналогично, в Европейском Союзе, в частности в Германии и Италии, недостаточное потребление калия является довольно распространенным явлением. [116]
Национальная служба здравоохранения Великобритании рекомендует аналогичную дозировку, утверждая, что «взрослым (от 19 до 64 лет) необходимо3500 мг в день» и что избыточное количество может вызвать проблемы со здоровьем, такие как боли в желудке и диарея . [117]
Калий присутствует во всех фруктах, овощах, мясе и рыбе. Продукты с высоким содержанием калия включают ямс , петрушку , курагу , молоко , шоколад , все орехи (особенно миндаль и фисташки ), картофель , побеги бамбука , бананы , авокадо , кокосовую воду , соевые бобы и отруби . [118]
Министерство сельского хозяйства США также перечисляет томатную пасту , апельсиновый сок , свекольную ботву , белую фасоль , бананы и многие другие пищевые источники калия, ранжированные в порядке убывания содержания калия. Дневная норма калия содержится в 5 бананах или 11 бананах. [119]
Диеты с низким содержанием калия могут привести к гипертонии [120] и гипокалиемии .
Добавки калия наиболее широко используются в сочетании с диуретиками , которые блокируют реабсорбцию натрия и воды выше по течению от дистального канальца ( тиазиды и петлевые диуретики ), поскольку это способствует увеличению секреции калия в дистальном канальце, что приводит к увеличению выведения калия. [121] Доступны различные рецептурные и безрецептурные добавки. [122] Хлорид калия можно растворять в воде, но соленый/горький вкус делает жидкие добавки неприятными. [123] [124] Калий также доступен в таблетках или капсулах, которые разработаны таким образом, чтобы позволить калию медленно вымываться из матрицы, поскольку очень высокие концентрации ионов калия, которые возникают рядом с твердой таблеткой, могут повредить слизистую оболочку желудка или кишечника. [68] [125] По этой причине безрецептурные таблетки калия ограничены законом в США максимальной концентрацией калия 99 мг. [126]
Добавки калия можно также комбинировать с другими метаболитами, такими как цитрат или хлорид, для достижения определенных клинических эффектов. [127]
Добавки калия могут использоваться для смягчения воздействия гипертонии, тем самым снижая риск сердечно-сосудистых заболеваний. [128] Хлорид калия и бикарбонат калия могут быть полезны для контроля легкой гипертонии . [129] В 2020 году калий был 33-м наиболее часто назначаемым лекарством в США, с более чем 17 миллионами рецептов. [130] [131] Было показано, что добавки калия снижают как систолическое, так и диастолическое артериальное давление у людей с эссенциальной гипертонией. [127]
Кроме того, добавки калия могут использоваться с целью предотвращения образования камней в почках, состояния, которое может привести к почечным осложнениям, если его не лечить. Низкий уровень калия может привести к снижению реабсорбции кальция в почках, увеличивая риск повышенного содержания кальция в моче и образования камней в почках. Поддерживая адекватный уровень калия, этот риск можно снизить. [127]
Механизм действия калия включает различные типы транспортеров и каналов, которые облегчают его перемещение через клеточные мембраны. Этот процесс может привести к увеличению перекачки ионов водорода. Это, в свою очередь, может усилить выработку желудочной кислоты, что потенциально может способствовать развитию язвы желудка. [127]
Калий играет роль в здоровье костей. Он способствует кислотно-щелочному равновесию в организме и помогает защищать костную ткань. Соли калия производят щелочной компонент, который может помочь в поддержании здоровья костей. [127]
Для людей с диабетом может быть необходимо дополнительное употребление калия, особенно для людей с диабетом 2 типа. Калий необходим для секреции инсулина бета-клетками поджелудочной железы, что помогает регулировать уровень глюкозы. Без достаточного количества калия секреция инсулина нарушается, что приводит к гипергликемии и ухудшению диабета. [127]
Избыточное потребление калия может иметь неблагоприятные последствия, такие как желудочно-кишечный дискомфорт и нарушения сердечного ритма. [127]
Добавки калия могут иметь побочные эффекты при язве, особенно в отношении язвенной болезни. Калиевые каналы могут увеличивать секрецию желудочной кислоты, что может привести к повышенному риску язв. Лекарства, используемые для лечения язвенной болезни, известные как «ингибиторы протонной помпы», работают путем ингибирования калиевых помп, которые активируют H/K АТФазу. Это ингибирование помогает снизить секрецию соляной кислоты в париетальные клетки, тем самым уменьшая кислотный синтез и снижая риск язв. Никорандил, препарат, используемый для лечения ишемической болезни сердца, может стимулировать нитратные и калиевые АТФ-каналы, и в результате он был связан с побочными эффектами, такими как язвы ЖКТ, полости рта и анального отверстия. Длительное и хроническое использование добавок калия было связано с более серьезными побочными эффектами, включая язвы за пределами желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Тщательный мониторинг необходим для пациентов, которые также принимают ингибиторы ангиотензиногенпревращающего фермента, блокаторы рецепторов ангиотензина или калийсберегающие диуретики. [127]
Калий можно обнаружить на вкус, поскольку он вызывает три из пяти типов вкусовых ощущений в зависимости от концентрации. Разбавленные растворы ионов калия имеют сладкий вкус, что позволяет использовать их в умеренных концентрациях в молоке и соках, в то время как более высокие концентрации становятся все более горькими/щелочными и, наконец, солеными на вкус. Сочетание горечи и солености растворов с высоким содержанием калия делает добавление калия в высоких дозах жидкими напитками проблемой вкусовых качеств. [123] [132]
Металлический калий может бурно реагировать с водой, образуя КОН и газообразный водород.
Эта реакция экзотермическая и выделяет достаточно тепла, чтобы воспламенить полученный водород в присутствии кислорода. Мелко измельченный калий воспламеняется на воздухе при комнатной температуре. Основная масса металла воспламеняется на воздухе при нагревании. Поскольку его плотность составляет 0,89 г/см3 , горящий калий плавает в воде, которая подвергает его воздействию атмосферного кислорода. Многие распространенные огнетушащие вещества, включая воду, либо неэффективны, либо усугубляют пожар калия. Азот , аргон , хлорид натрия (поваренная соль), карбонат натрия (кальцинированная сода) и диоксид кремния (песок) эффективны, если они сухие. Некоторые сухие порошковые огнетушители класса D , предназначенные для пожаров металлов, также эффективны. Эти вещества лишают огонь кислорода и охлаждают металлический калий. [134]
Во время хранения калий образует пероксиды и супероксиды. Эти пероксиды могут бурно реагировать с органическими соединениями, такими как масла. Как пероксиды, так и супероксиды могут взрывоопасно реагировать с металлическим калием. [135]
Поскольку калий реагирует с водяным паром в воздухе, его обычно хранят под безводным минеральным маслом или керосином. В отличие от лития и натрия, калий не следует хранить под маслом дольше шести месяцев, если только он не находится в инертной (бескислородной) атмосфере или в вакууме. После длительного хранения на воздухе на металле и под крышкой контейнера могут образовываться опасные, чувствительные к ударам пероксиды, которые могут взорваться при открытии. [136]
Прием большого количества соединений калия может привести к гиперкалиемии , сильно влияющей на сердечно-сосудистую систему. [137] [138] Хлорид калия используется в США для смертных казней с помощью инъекций. [137]
Физические свойства калия
п. 157: В unserer deutschen Nomenclatur würde ich die Namen
Kalium
und
Natronium
vorschlagen, wenn man nichtlieber bei den von Herrn Erman gebrauchten und von mehreren angenommenen Benennungen
Kali-Metalloid
and
Natron-Metalloid
, bis zur völligen Aufklärung der chemischen Natur räthzelhaften Körper bleiben будет . Oder vielleicht findet man es noch zweckmässiger fürs Erste zwei Klassen zu machen,
Metalle
und
Metalloide
, and in die Letztere
Kalium
und
Natronium
zu setzen. — Гилберт. (В нашей немецкой номенклатуре я бы предложил названия
Калий
и
Натроний
, если бы не продолжать названия
Кали-металлоид
и
Натрон-металлоид
, которые использует г-н Эрман [т.е. немецкий профессор физики
Пауль Эрман
(1764–1851). )] и приняты несколькими [людьми] до полного выяснения химической природы этих загадочных веществ. Или, может быть, в настоящее время еще более целесообразным найти два класса,
металлы
и
металлоиды
, и поместить
в них
калий
и
натроний.
последний — Гилберт.)
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Новости из Викиновостей
Тексты из Викиресурса
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета