钾
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钾最早于植物的灰烬中所分离出,故其名称源自植物的灰烬(英语:pot ash)。在元素周期表中,钾属于碱金族,所有碱金属在外部电子壳中都具有单价电子在离子盐中发生。其易被去除电子而形成具有正电荷的离子──阳离子(阳离子可与阴离子结合形成盐)。
钾元素在自然界里仅以离子化合物存在,是一种柔软的银白色碱性金属。在空气中会迅速氧化,遇水会剧烈反应,产生足够的热量以点燃反应中释放的氢气,并放出蓝紫色的火焰。它被发现溶解于海水(自然界中的钾以化合物的形式溶解于海水中,按重量百分比计为0.04%[4][5]),是许多矿物质的一部分。
钾与钠的化学性质非常相似,而钠是元素周期表第1族中钾的前一个元素。它们具有相似的第一电离能,让原子丢弃其最外层唯一的电子。在1702年[6],钾与钠被怀疑可以与相同的阴离子结合形成类似的盐类,并且在1807年以电解证明。天然存在的钾由三种同位素组成,其中的40
K是放射性的。微量的40
K存在于所有钾中,它是人体中最常见的放射性同位素。
钾离子对所有活细胞的功能非常重要。正常的神经传递需要钾离子通过神经细胞膜转移;过低或过量的钾也都会导致许多身体的征兆或症状,包括心律异常和各种心电图异常。新鲜水果和蔬菜是钾的良好来源。身体摄取钾时,血浆中的钾离子浓度会上升,造成钾离子从细胞外往细胞内移动,增加肾脏对钾离子的代谢。
钾的大多数工业应用了钾化合物(例如钾皂)在水中的的高溶解度。含钾的农业肥料占了全球钾化学产物的95%,用于补救因大量生产作物而耗尽钾的土壤。 [7]
性质
钾的熔点、硬度低,比钠更活泼,在空气中很快氧化。钾的密度小于水,大于煤油。钾和水会产生剧烈反应(产生高温使自己熔成一个银白色的球,释放大量氢,使金属球在水面高速移动,氢气燃烧,可以看到紫蓝色的火焰,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。
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
拉丁语:kalium,这个单字不存在于古典拉丁语中,这是由永斯·贝采利乌斯创造的新拉丁文名词。这个名词起源于阿拉伯语:القَلْيَه(al-qalyah),本义为植物灰烬。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。这个阿拉伯名词传入欧洲后,被拼为alkali,意为碱。永斯·贝采利乌斯以此命名钾为kalium。
钾英文名“potassium”则由“Potash”衍生而来。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(英语: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、钾长石等硅酸盐中都富含钾。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%。钾在海水中含量比钠离子少的原因是由于被土壤和植物吸收多。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。将氢氧化钾与卤化物进行熔融电解,再经真空蒸馏制得。 早期,由法国化学家给吕萨克和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和钾41是稳定的,其他同位素都带有放射性。
应用
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及肥皂。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。
钾金属在工业上可作为较强的还原剂。钠钾合金在一些特殊冷却设备中作为热传导的媒介。
对人体的影响
营养代谢
钾是人体必需的矿物质营养素,是体细胞内主要的阳离子,体重70千克的成年男性体内,钾含量约3500mEq。饮食中的钾离子在小肠中很容易被吸收。人体钾离子主要流失途径有80-90%是由肾脏经尿液排除,其余10-20%是由粪便排出。肾脏对于钾离子具有调控作用,藉以维持钾离子浓度在正常范围内。基于弥补身体的流失量以维持正常储存及血浆浓度的平衡,成人每日的最小需要量为200 mg。含钾丰富的食物 (页面存档备份,存于互联网档案馆)包括乳制品、水果、蔬菜、瘦肉、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[8]等。饮食建议摄取量如下:
钾充足摄取量 (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和体液的酸碱平衡,参与细胞内糖和蛋白质的代谢。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。细胞对钾的调节与钠钾泵(Na+/K+ pump)和钾离子通道有关。
低血钾(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。
导致低血钾的原因包括:长期呕吐、腹泻、糖尿病酸中毒、神经性厌食症、长期营养不良、慢性酒精中毒、肾上腺肿瘤、烫伤、临床上常见的电解质异常、吸收不良或血钾过度流失、或使用某些药物而使血中之钾浓度不够。轻度低血钾(血清钾浓度3.0-3.5meq/L)经常是没有症状;中度低血钾(血清钾浓度2.5-3.0meq/L)有非特异性的症状像是虚弱、疲倦、便秘等;严重低血钾(血清钾浓度<2.5meq/L)可能发生肌肉坏死,甚至呼吸肌麻痹衰竭。补充钾离子是治疗低血钾的最根本办法。[10][11]
高血钾(Hyperkalemia)
血中钾离子浓度高于5.5 mEq/L时称为高血钾,可能因摄取过多、排泄减少、或因钾离子由细胞内转移至细胞外液等原因造成。一般以肾脏衰竭病患容易发生高血钾。当人体发生高血钾时,会有血压降低、心律不整、心电图改变、严重时会有心室纤维颤动、心跳停止。神经肌肉的症状在早期为肌肉震颤、痉挛、感觉异常等情形,晚期则会有肌肉无力、弛缓性麻痹、呼吸停止。此外也会出现恶心、呕吐、肠蠕动增加、腹泻、腹绞痛等消化系统的症状及少尿、无尿等泌尿系统的症状。[10]
相关遗传性疾病
- 家族性低血钾周期性无力症(familial hypokalemic periodic paralysis),为自体显性遗传疾病,相当罕见。突变的基因CACNL1A3是一种钙离子通道。疾病的特征是突然发生的肌肉麻痹与血清钾浓度<2.5meq/L。血钾减少的原因可能是大量摄取碳水化合物或钠离子而诱发,会在24小时内自然消退,但有时会引起致命性心率不整[12]。
- 李德尔氏综合征(Liddle's syndrome)为隐性遗传疾病。此遗传异常会因为矿物皮质醛酮增高,影响到肾脏离子输送活性,刺激集尿管细胞对钠离子的再吸收,造成代谢性碱中毒和低血钾。
- 巴特氏症候群(Bartter's syndrome)为亨利氏环(loop of Henle)和近曲小管的钠运输蛋白(chloride-associated sodium transporters)失去活性或功能[13]。
- 吉特曼氏综合症(Gitelman's syndrome)是肾脏远曲小管(distal convoluted tubule)钠运输蛋白失去活性或功能。
参考资料
- ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 (英语).
- ^ 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
- ^ 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.
- ^ 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).
- ^ 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).
- ^ Marggraf, Andreas Siegmund. Chymische Schriften. 1761: 167 [2019-02-22]. (原始内容存档于2021-04-29).
- ^ Greenwood, p. 73
- ^ 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).
- ^ 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
- ^ 10.0 10.1 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).
- ^ 存档副本. [2007-12-22]. (原始内容存档于2007-11-04).
- ^ 存档副本. [2007-12-22]. (原始内容存档于2017-07-30).
- ^ [1][永久失效链接]
外部链接
- 元素钾在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介绍(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 钾(英文)
- 元素钾在The Periodic Table of Videos(诺丁汉大学)的介绍(英文)
- 元素钾在Peter van der Krogt elements site的介绍(英文)
- WebElements.com – 钾(英文)
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