Kim Loại . Kali

Kali :

Kali (bắt nguồn từ tiếng Latinh hiện đại: kalium) là nguyên tố hoá học ký hiệu K, số thứ tự 19 trong bảng tuần hoàn. Kali còn gọi là bồ tạt (mặc dù bồ tạt để chỉ tới kali cacbonat K₂CO₃ thì chính xác hơn) hay pôtát (potassium). Kali nguyên tố là kim loại kiềm mềm, có màu trắng bạc dễ bị oxy hóa nhanh trong không khí và phản ứng rất mạnh với nước tạo ra một lượng nhiệt đủ để đốt cháy lượng hydro sinh ra trong phản ứng này. Kali cháy có ngọn lửa màu hoa cà.

Kali và natri có tính chất hóa học rất giống nhau, đều là những nguyên tố nhóm IA trong bảng tuần hoàn. Chúng có cùng mức năng lượng ion hóa thứ nhất, khi được kích hoạt thì nguyên tử của hai nguyên tố này sẽ cho đi electron ngoài cùng duy nhất. Dù là hai nguyên tố khác nhau, nhưng kali và natri có thể kết hợp với những anion giống nhau để tạo nên những muối có tính chất tương tự, điều này đã được nghi ngờ từ năm 1702, và được chứng minh năm 1807 khi kali và natri được cô lập một cách độc lập từ các muối khác nhau bằng cách điện phân. Kali tồn tại trong tự nhiên ở dạng các muối ion. Do đó, nó được tìm thấy ở dạng hòa tan trong nước biển (với khoảng 0,04% kali theo khối lượng), và nguyên tố này có mặt trong nhiều khoáng vật.

Hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp của kali là nhờ vào khả năng hòa tan tương đối cao của các hợp chất kali trong nước như bánh xà phòng kali. Kim loại kali chỉ có một vài ứng dụng đặc biệt, như là nguyên tố được thay thế cho natri kim loại trong hầu hết các phản ứng hóa học.

Các ion kali có vai trò cần thiết cho chức năng của mọi tế bào sống. Sự khuếch tán ion kali xuyên màng tế bào thần kinh cho phép hoạt động dẫn truyền thần kinh diễn ra bình thường. Sự suy giảm kali trong động vật, bao gồm cả con người, dẫn đến rối loạn các chức năng khác nhau của tim. Cơ thể phản ứng với lượng kali trong chế độ ăn uống, làm tăng nồng độ kali huyết thanh, với sự chuyển đổi kali từ bên ngoài đến bên trong tế bào và tăng thải kali qua thận.

Kali tích lũy trong các tế bào thực vật, và do đó trái cây tươi và rau là những nguồn cung cấp lượng kali tốt cho cơ thể. Sự tồn tại trong thực vật khiến ban đầu kali được cô lập từ potash (các dạng tro của thực vật), nên kali trong tiếng Anh được đặt tên theo hợp chất này. Cũng vì lý do trên nên những vụ canh tác sản lượng lớn đã làm cạn kiệt nguồn kali trong đất một cách nhanh chóng, khiến phân bón nông nghiệp tiêu thụ đến 95% hóa chất chứa kali được sản xuất trên toàn cầu. Ngược lại, ngoại trừ một vài cây chịu mặn đặc biệt, hầu hết thực vật không thể dung nạp ion natri, dẫn đến hệ quả hàm lượng natri thấp trong cơ thể.

 

Tính chất

Vật lý

Kali là kim loại nhẹ thứ 2 sau lithi. Nó là chất rắn mềm có điểm nóng chảy thấp và có thể dùng dao để cắt dễ dàng. Vết mới cắt của kali có màu bạc, nhưng ngay lập tức sẽ lu mờ chuyển sang màu xám sau khi tiếp xúc với không khí, nên nó phải được bảo quản trong dầu mỏ hay dầu lửa. Trong thí nghiệm với ngọn lửa, kali và các hợp chất của nó phát ra màu hoa cà với đỉnh bức xạ ở bước sóng 766,5 nm 

Hóa học

Các nguyên tử kali có 19 electron nhiều hơn 1 electron so với trạng thái bền vững của khí trơ gần nhất argon. Nguyên tử kali trong trường hợp này dễ mất 1 nguyên tử ngoài cùng hơn là kiếm thêm 1 nữa để đạt trang thái bền; tuy nhiên, các ion K^– cũng được biết đến. Do mức năng lượng ion hóa thứ nhất thấp (418,8 kJ/mol) nguyên tử kali dễ dàng mất đi 1 electron và oxy hóa thành cation K⁺. Quá trình này cần ít năng lượng đến nỗi kali dễ dàng bị oxy hóa bởi oxy trong khí quyển. Ngược lại, mức năng lượng ion hóa thứ hai rất cao (3052 kJ/mol), do phải loại bỏ 2 electron khi phá vỡ trạng thái bền vững của cấu hình khí hiếm. Do đó, kali không sẵn sàng để tạo thành các hợp chất ở trạng thái oxy hóa +2 (hoặc cao hơn).

Kali phản ứng với oxy trong không khí tạo thành kali peroxide và phản ứng với nước tạo thành kali hydroxide. Phản ứng của kali với nước rất nguy hiểm vì tính mãnh liệt của phản ứng và việc tạo ra khí hydro trong phản ứng. Khí hydro tiếp tục phản ứng với oxy trong khí quyển tạo thành nước, lượng nước này lại tiếp tục phản ứng với kali dư. Phản ứng này chỉ cần sự có mặt của một ít nước; vì vậy kali và hợp kim lỏng của nó với natri là NaK là những chất hút ẩm mạnh có thể được dùng để làm khô các dung môi trước khi đưa vào chưng cất.

Do tính nhạy cảm của kali với nước và không khí, các phản ứng chỉ có thể xảy ra trong khí quyển trơ như khí argon dùng công nghệ chân không. Kali không phản ứng với hầu hết hydrocarbon như dầu khoáng hoặc kerosene. Nó dễ hòa tan trong ammoniac lỏng với nồng độ lên đến 480 ppm ở 0 °C. Tùy theo nồng độ, các dung dịch ammoniac sẽ có màu xanh dương đến vàng, và độ dẫn điện của chúng tương tự như độ dẫn điện của kim loại lỏng. Ở dạng dung dịch tinh khiết, ammoniac phản ứng chậm với kali tạo thành KNH₂, nhưng phản ứng này được tăng tốc khi thêm một lượng nhỏ muối của các kim loại chuyển tiếp. Bởi vì kali có thể khử các muối thành kim loại, kali thường được dùng làm chất khử trong việc sản xuất các kim loại từ các muối của chúng bằng phương pháp Rieke. Ví dụ, dùng kali làm chất khử để điều chế magiê bằng phương pháp Rieke từ Magie chloride:

MgCl₂ + 2 K → Mg + 2 KCl

 

Sản xuất thương mại

Các muối kali như carnallit, langbeinit, polyhalit, và sylvit tạo nên các mỏ lớn trong các hồ và đáy biển cổ, làm cho việc khai thác các muối kali trong các môi trường này là khả thi về mặt thương mại. Nguồn chủ yếu của kali được khai thác ở Canada, Nga, Belarus, Đức, Israel, Hoa Kỳ, Jordan và nhiều nơi khác nữa trên thế giới. Mỏ đầu tiên được khai thác nằm gần Staßfurt, Đức, nhưng dãi phân bố mỏ này kéo dài từ Đại Anh qua Đức và đến tận Ba Lan. Chúng nằm trong tầng Zechstein và tích tụ vào kỷ Permi giữa đến muộn. Mỏ lớn nhất từng được phát hiện ở độ sâu khoảng hơn 900 mét dưới bề mặt của Saskatchewan, Canada. Các mỏ này nằm trong Loạt Elk Point hình thành vào Devon giữa. Saskatchewan, nơi có nhiều mỏ lớn được khai thác từ thập niên 1960, đã đi tiên phong trong việc sử dụng phương pháp đóng băng cát ước (hệ tầng Blairmore) để khai thác dạng trục trong chúng (in order to drive mine shafts through them). Nước trong Biển Chết được Israel và Jordan dùng để sản xuất kali, trong khi nồng độ trong các đại dương thông thường quá thấp để có thể sản xuất thương mại với giá hiện thời.

Nhiều phương pháp được sử dụng để tách các muối kali ra khỏi các hợp chất có mặt magnesi và natri. Phương pháp được sử dụng nhiều nhất là kết tủa một số hợp chất dựa vào khải năng hòa tan khác nhau của các muối ở những nhiệt độ khác nhau. Tách tĩnh điện của hỗ hợp các muối dưới lòng đất cũng được sử dụng trong một số mỏ. Các chất thải magnesi và natri tách ra hoặc được chứa dưới lòng đất hoặc chất thành các đống xỉ. Hầu hết các khoáng sản kali được khai thác qua quá trình xử lý sẽ cho ra sản phẩm cuối cùng là kali chloride. Ngành công nghiệp khoáng chú trọng đến kali chloride hoặc ở dạng potash, hoặc MOP đơn giản.

Kim loại kali nguyên chất có thể được điều chế bằng phương pháp điện phân các hydroxide của nó theo quy trình đã được Davy điều chỉnh một chút. Mặc dù quá trình điện phân đã được phát triển và sử dụng ở quy mô công nghiệp trong thập niên 1920, phương pháp nhiệt bằng cách phản ứng của natri với kali chloride trong một phản ứng cân bằng hóa học trở thành phương pháp chủ yếu trong thập niên 1950. Việc sản xuất các hợp kim kali natri có thể thực hiện được bằng cách thay đổi thời gian phản ứng và lượng natri được sử dụng trong phản ứng. Công nghệ Griesheimer sử dụng phản ứng giữa kali fluoride với calci carbide cũng được sử dụng để sản xuất kali.

Na + KCl → NaCl + K (phương pháp nhiệt)

2 KF + CaC₂ → 2K + CaF₂ + 2 C (công nghệ Griesheimer)

Kim loại kali cấp chất thử (chỉ thị) có giá khoảng 22 USD/kg) năm 2010 khi mua với số lượng lớn (hàng tấn). Việc buôn bán chất này không ổn định do khó khăn trong việc bảo quản kim loại này. Nó phải được lưu trữ trong điều kiệu không khí chứa toàn khí trơ hoặc dầu khoáng gốc khan để chống việc tạo thành các lớp kali superoxide bọc trên bề mặt của nó. Loại oxide này là một chất nổ nhạy với áp lực nó sẽ nổ khi bị trầy xước. Khi nổ thường sẽ sinh ra ngọn lửa rất khó dập tắt.

 

Lọc và bài tiết

Kali là một khoáng chất thiết yếu trong cơ thể con người; nó là cation chính bên trong các tế bào động vật, và do đó nó co vai trò quan trọng trong việc duy trì chất dịch và cân bằng điện giải trong cơ thể. Natri cấu thành nên hầu hết các cation trong plasma máu ở dãy tham chiếu vào khoảng 145 mmol/L (3,345 g)(1 mmol/L = 1mEq/L), và kali cấu thành nên hầu hết các cation dung dịch tế bào với mức khoảng 150 mmol/L (4,8 g). Plasma được lọc qua cầu thận của các quả thận mơi một lượng lớn với khoảng 180 lit/ngày. Do vậy mỗi ngày có 602 g natri và 33 g kali được lọc. Chỉ có 1–10 g natri và 1–4 g kali có thể có trong thức ăn phải được tái hấp thu. Natri phải được tái hấp thu theo cách giữ một lượng máu chính xác và áp suất thẩm thấu đúng; kali phải được tái hấp thu theo cách nào đó để giữ cho nồng độ huyết thanh càng gần với 4,8 mmol/L (khoảng 0,190 g/L) càng có thể. Các bơm natri trong thận phải luôn hoạt động để bảo tồn natri. Kali đôi khi cũng phải được bảo tồn, nhưng khi lượng kali trong plasma máu rất nhỏ và hồ kali trong các tế bào lớn khoảng 30 lần, tình hình không phải là quá nghiêm trọng đối với kali. Vì kali được di chuyển một cách thụ động ngược chiều với natri để đạt cân bằng Donnan (không thực tế), nước tiểu có thể không bao giờ chìm dưới nồng độ của kali trong huyết thanh trừ khi thỉnh thoảng có việc tiết nước chủ động vào giai đoạn cuối của quá trình. Kali được tiết ra hai lần và tái hấp thụ 3 lần trước khi nước tiểu đi đến các ống thu gom. Ở điểm đó, nó thường xuyên có nồng độ kali như plasma. Cuối quá trình, kali được tiết ra một lần nữa nếu nồng độ huyết thanh quá cao.

Nếu kali bị loại bỏ từ thức ăn, vẫn có sự đào thải từ thận với khoảng 200 mg ngày khi huyết thanh giảm 3,0–3,5 mmol/L trong khoảng 1 tuần, và có thể không bao giờ bị cắt giảm hoàn toàn, gây ra hạ kali máu và thậm chí là tử vong.

Kali di chuyển một cách thụ động qua các lỗ rỗng của màng tế bào. Khi các ion di chuyển qua các bơm, có một cổng trong các bơm ở mỗi mặt của màng tế bào và chỉ có một cổng có thể mở vào một thời điểm. Kết quả là có khoảng 100 ion bị đẩy qua trong 1 giây. Các lỗ rỗng chỉ có 1 cổng, và chỉ có một loại ion có thể đi qua với số lượng 10 triệu đến 100 triệu ion mỗi giây. Các lỗ chân lông cần calci để mở ra mặc dù người ta nghĩ rằng calci hoạt động ngược lại bằng cách khóa ít nhất một trong số các lỗ rỗng. Các nhóm carbonyl bên trong lỗ rỗng trên các amino acid bắt chước hydrat hóa nước diễn ra trong dung môi nước bởi bản chất tích điện tĩnh điện trên 4 nhóm carbonyl bên trong lỗ rỗng.

Trong khẩu phần ăn

Cung cấp vừa đủ

Cung cấp vừa đủ lượng kali để hỗ trợ sự sống có thể qua việc ăn nhiều loại thực phẩm. Những trường hợp thiếu kali rõ ràng (như các triệu chứng, dấu hiện và hàm lượng nguyên tố trong máu thấp hơn bình thường) thì hiếm gặp ở những cá thể khỏe mạnh. Các loài thực phẩm giàu kali như khoai, rau mùi tây, mơ khô, sữa khô, sô cô la, nhiều loại hạt (đặc biệt là hạnh nhân và hồ trăn), khoai tây, măng, chuối, bơ, nước dừa, đậu nành, và cám, mặc dù nó cũng có với một lượng vừa đủ trong hầu hết trái cây, rau, thịt và cá.

Cung cấp tối đa

Các nghiên cứu dịch tễ học và các nghiên cứu ở động vật về bệnh cao huyết áp chỉ ra rằng khẩu phần ăn có nhiều kali có thể giảm nguy cơ cao huyết áp và đột quỵ (theo một cơ chế độc lập về huyết áp), và việc thiếu hụt kali kết hợp với không cung cấp đủ thiamin đã tạo ra bệnh tim ở chuột. Có một vài tranh cãi liên quan đến lượng cung cấp kali tối đa trong khẩu phần ăn. Ví dụ, các hướng dẫn năm 2004 của Viện Y học Hoa Kỳ (Institute of Medicine) chỉ ra rằng DRI (Dietary reference intake) 4.000 mg kali (100 mEq), mặc dù hầu hết người Mỹ tiêu thụ chỉ phân nửa lượng trên mỗi ngày, điều này có thể làm cho họ thiếu kali liên quan đến hướng dẫn trên. Tương tự như thế, ở các nước EU đặc biệt là ở Đức và Ý, kali cung cấp không đủ là khác phổ biến. Các nhà nghiên cứu người Ý, trong một báo cáo năm 2011 khi phân tích rằng khi cung cấp một lượng kali cao hơn 1,64 g mỗi ngày có sự liên hệ với việc giảm 21% nguy cơ đột quỵ.

Dược phẩm và bệnh tật

Lượng Kali trong máu người bình thường là nằm trong khoảng 3,5-5,0 mmol\l. Dưới 3,5 sẽ bị chứng giảm kali huyết, trên 5,0 sẽ tăng kali máu. Cả hai khả năng đều có khả năng dẫn đến tử vong.

Bổ sung kali ở dạng dược phẩm được sử dụng phổ biến nhất trong việc kết hợp với loop diuretic và thiazide, các phân loại lợi tiểu giúp tống ra khõi cơ thể natri và nước, nhưng tác dụng phụ cũng gây ra mất kali trong nước tiểu. Nhiều cách bổ sung ở dạng dược phẩm và không phải dược phẩm cũng có mặt. Các muối kali như kali chloride có thể cho hòa tan vào nước, nhưng vị đắng/mặn của các dung dịch có hàm lượng ion kali cao làm cho có cảm giác ngon miệng do việc bổ sung chất lỏng có nồng độ cao khó mà tạo ra được. Những liều bổ sung dạng thuốc đặc biệt dao động từ 10 mmol (400 mg, bằng khoảng 1 cốc sữa hoặc một cốc cam ép 180ml) đến 20 mmol (800 mg) một liều. Các muối kali cũng có ở dạng viên nén hoặc viên nang, dùng cho mục đích điều trị cho phép kali thoát một cách chậm chạp ra khỏi viên thuốc, vì hàm lượng các ion kali rất cao có thể giết chết các mô, và làm tổn thương đến niên mạc dạ dày hoặc niêm mạc ruột. Vì lý do này, các viên thuốc bổ sung kali không kê theo toa bị giới hạn đến 99 mg kali theo luật của Hoa Kỳ.

 

Ứng dụng

Phân bón

Các ion kali là thành phần thiết yếu trong dinh dưỡng thực vật và được tìm thấy trong hầu hết các loại đất. Chúng được dùng làm phân bón cho nông nghiệp, trồng trọt và thủy canh ở dạng kali chloride (KCl), kali sulfat (K
₂SO
₄), hoăc nitrat (KNO
₃). Phân bón nông nghiệp tiêu thụ 95% các hóa phẩm của kali trên toàn cầu, và khoảng 90% kali được cung cấp ở dạng KCl. Thành phần kali trong hầu hết thực vật dao động từ 0,5% đến 2% khối lượng các vụ mùa, thường ở dạng K
₂O. Các vụ mùa năng suất cao phụ thuộc vào lượng phân bón để bổ sung cho lượng kali mất đi do thực vật hấp thu. Hầu hết phân bón chứa kali chloride, trong khi kali sulfat được dùng cho các vụ mùa nhạy cảm với chloride hoặc vụ mùa cần lượng lưu huỳnh cao hơn. Kali sulfat được tạo ra chủ yếu bằng sự phân giải các khoáng phức của kainit (MgSO₄·KCl·3H₂O) và langbeinit (MgSO₄·K₂SO₄). Chỉ có rất ít phân bón chứa kali nitrat. Trong năm 2005, khoảng 93% sản lượng kali trên thế giới đã được tiêu thụ bởi các ngành công nghiệp phân bón.

Thực phẩm

Cation kali là dưỡng chất thiết yếu cho con người và sức khỏe. Kali chloride được dùng thay thế cho muối ăn nhằm giảm lượng cung cấp natri để kiểm soát bệnh cao huyết áp. USDA liệt kê pa tê cà chua, nước cam, củ cải đường, đậu trắng, cà chua, chuối và nhiều nguồn thức ăn khác cung cấp kali được xếp theo mức độ giảm dầm hàm lượng kali.

Kali natri tartrate (KNaC₄H₄O₆, Rochelle salt) là một thành phần chính của bột nở; nó cũng được sử dụng trong các gương mạ bạc. Kali bromat (KBrO
₃) là một chất oxy hóa mạnh (E924), được dùng để tăng độ dẻo và độ nở cao của bột bánh mì. Kali bisulfit (KHSO
₃) được dùng làm chất bảo quản thực phẩm, như trong rượu vang và bia (nhưng không có trong thịt). Nó cũng được sử dụng để tẩy trong dệt-nhuộm và thuộc da.

Công nghiệp

Các chất hóa học kali chính là kali hydroxide, kali cacbonat, kali sulfat, và kali chloride. Hàng triệu tấn các hợp chất này được sản xuất mỗi năm.

Kali hydroxide KOH là một base mạnh, được dùng ở mức độ công nghiệp để trung hòa các acid mạnh và yếu, để khống chế pH và để sản xuất các muối kali. Nó cũng được dùng để làm bánh xà phòng từ mỡ và dầu trong công nghiệp tẩy rửa và trong các phản ứng thủy phân như các este.

Kali nitrat (KNO₃) được lấy từ các nguồn tự nhiên như guano và evaporit hoặc được sản xuất từ công nghệ Haber; nó là một chất oxy hóa trong thuốc súng (thuốc súng đen) và là một loại phân bón quan trọng. Kali cyanide (KCN) được dùng trong công nghiệp để hòa tan đồng và các kim loại quý, đặc biệt là bạc và vàng, bằng cách tạo ra ở dạng phức chất. Những ứng dụng của nó gồm khai thác vàng, mạ điện, và đúc điện (electroforming) của các kim loại này; nó cũng được dùng trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra nitriles. Kali cacbonat (K
₂CO
₃ hay potash) được dùng trong sản xuất thủy tinh, xà phòng, ống phóng màn hình màu, đèn huỳnh quan, dệt nhuộm và chất tạo màu. Kali permanganat (KMnO₄) là một chất oxy hóa, có tính tẩy mạnh và được sử dụng trong sản xuất saccharin. Kali clorat (KClO₃) được cho vào vật liệu nổ. Kali bromide (KBr) đước đây được sử dụng làm thuốc an thầnh và trong nhiếp ảnh.

Kali cromat (K₂CrO₄) được dùng trong mực, nhuộm, chất tạo màu (màu vàng đỏ sáng); trong chất nổ và pháo hoa; trong thuộc da, trong giấy bẫy ruồi và diêm an toàn, tất cả các ứng dụng trên do tính chất của ion cromat hơn là các ion kali.

Hợp kim NaK với điểm nóng chảy thấp và sức căng bề mặt cao được dùng làm chất làm mát trong một số lò phản ứng hạt nhân nhanh và vệ tinh ra đa RORSAT của Liên Xô.

Ứng dụng thích hợp khác

Các hợp chất kali quá phổ biến đến nổi có hàng ngàn ứng dụng nhỏ tại chỗ. Chất rắn màu cam superoxide KO₂ là nguồn cung cấp oxy tiện lợi và là chất hấp thụ cacbon dioxide. Nó được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông khí mỏ, các tàu ngầm và tàu không gian do nó chứa ít thể tích hơn oxy khí.

4 KO₂ + 2 CO₂ → 2 K₂CO₃ + 3 O₂

Kali cobaltinitrit K₃[Co(NO₂)₆] được dùng làm chất tạo màu của các họa sĩ với tên gọi Aureolin hay Coban vàng.

Trong phòng thí nghiệm

Hợp kim của natri và kali, NaK ở dạng chất lỏng được dùng làm chất trung gian truyền nhiệt và làm chất hút ẩm để tạo ra một môi trường không khí khô. Nó có thể được sử dụng trong phản ứng chưng cất. Hợp kim gồm 12% Na, 47% K và 41% Cs có nhiệt độ nóng chảy −78 °C, thấp nhất trong tất cả các hợp chất kim loại.

Kali kim loại được dùng ở nhiều dạng khác nhau trong từ kế.