אשלגן: היסטוריה, מבנה, תכונות, תגובות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

אשלגן מהווה סמל כימי אלקליין הוא K. המספר האטומי שלה הוא 19 והוא ממוקם מתחת נתרן בטבלה המחזורית. זו מתכת רכה שאפשר אפילו לחתוך אותה בעזרת סכין. בנוסף, הוא די קל, והוא יכול לצוף על מים נוזליים תוך תגובה מגובשת.

הוא חתוך טרי, הוא בעל צבע לבן-כסוף בהיר מאוד, אך כאשר הוא נחשף לאוויר הוא מתחמצן במהירות ומאבד את הברק שלו, הופך לאפרפר (כמעט כחלחל, כמו בתמונה למטה).

חתיכות אשלגן מחומצן חלקית המאוחסנות בשמן מינרלי. מקור: 2 × 910

אשלגן מגיב בפיצוץ נפץ עם מים ליצירת אשלגן הידרוקסיד וגז מימן. דווקא הגז הזה הוא האחראי לפיצוציות של התגובה. כאשר הוא שורף במצת, האטומים הנרגשים שלו צובעים את הלהבה בצבע לילך עז. זה אחד המבחנים האיכותיים שלו.

זוהי המתכת השביעית השופעת ביותר בקרום כדור הארץ ומייצגת 2.6% ממשקלה. הוא נמצא בעיקר בסלעים, פצלים ומשקעים סוערים, בנוסף למינרלים כמו סילוויט (KCl). שלא כמו נתרן, ריכוזו במי הים הוא נמוך (0.39 גרם / ל ').

אשלגן היה מבודד בשנת 1807 על ידי הכימאי האנגלי סר האמפרי דייווי, באמצעות אלקטרוליזה של תמיסה של ההידרוקסיד שלו, KOH. מתכת זו הייתה הראשונה שבודדה באמצעות אלקטרוליזה ודייווי העניק לה את השם האנגלי אשלגן.

עם זאת, בגרמניה שימש השם קאליום כדי להתייחס למתכת. בדיוק משם משפחה זה מגיע האות K, המשמשת כסמל כימי לאשלגן.

למתכת עצמה יש מעט שימוש תעשייתי, אך היא מולידה תרכובות שימושיות רבות. אולם מבחינה ביולוגית זה חשוב הרבה יותר, מכיוון שהוא אחד המרכיבים החיוניים לגופנו.

בצמחים, למשל, זה מעדיף פוטוסינתזה, תהליך האוסמוזה. זה גם מקדם סינתזת חלבון, ובכך מעדיף את צמיחת הצמחים.

הִיסטוֹרִיָה

אֶשׁלָג

מאז ימי קדם האדם השתמש באשלג כדישון, תוך התעלמות מקיומו של אשלגן, הרבה פחות מהקשר שלו עם אשלג. זה הוכן מאפר הגזעים והעלים של העצים, אליו נוספו מים, שהתאדו מאוחר יותר.

ירקות מכילים בעיקר אשלגן, נתרן וסידן. אך תרכובות סידן מסיסות במים בצורה גרועה. מסיבה זו אשלג היה תרכובת של תרכובות אשלגן. המילה נגזרת מהתכווצות המילים האנגלית 'סיר' ו'אפר '.

בשנת 1702 הציע ג 'ארנסט שטאל את ההבדל בין מלחי הנתרן והאשלגן; הצעה זו אומתה על ידי הנרי דוהמל דו מונצ'ו בשנת 1736. מכיוון שלא היה ידוע על ההרכב המדויק של המלחים, החליט אנטואן לבויסר (1789) שלא לכלול אלקליות ברשימת היסודות הכימיים.

תַגלִית

בשנת 1797, הכימאי הגרמני מרטין קלפרוט גילה אשלג במינרלים לאוציט ולפידוליט, ולכן הוא הגיע למסקנה שלא מדובר רק בתוצר של צמחים.

בשנת 1806, הכימאי האנגלי סר האמפרי דייווי גילה כי הקשר בין אלמנטים של תרכובת הוא חשמלי באופיו.

דייווי בודד אז אשלגן על ידי אלקטרוליזה של אשלגן הידרוקסיד, תוך התבוננות בכדורות ברק מתכתי שהצטברו באנודה. הוא כינה את המתכת עם המילה האטימולוגיה האנגלית אשלגן.

בשנת 1809 הציע לודוויג וילהלם גילברט את השם kalium (kalium) לאשלגן של דייווי. ברזלוס עורר את השם kalium כדי להקצות לאשלגן את הסמל הכימי "K".

לבסוף גילה יוסטוס ליביג בשנת 1840 כי אשלגן הוא יסוד הכרחי לצמחים.

מבנה ותצורת אלקטרונים של אשלגן

אשלגן מתכתי מתגבש בתנאים רגילים במבנה מעוקב (מרכזי) בגוף. זה מאופיין בכך שהוא רזה, המסכים לתכונות האשלגן. אטום K מוקף על ידי שמונה שכנים, ממש במרכז הקוביה ועם שאר האטומי K הממוקמים בקודקודים.

שלב bcc זה נקרא גם שלב KI (הראשון). כאשר הלחץ גדל, מבנה הגביש מתכווץ לשלב המעוקב (fcc) הממרכז. עם זאת, יש צורך בלחץ של 11 GPa כדי שהמעבר הזה יתרחש באופן ספונטני.

שלב ה- fcc הצפוף יותר הזה נקרא K-II. בלחצים גבוהים יותר (80 GPa) וטמפרטורות נמוכות יותר (פחות מ- -120 מעלות צלזיוס), אשלגן רוכש שלב שלישי: K-III. K-III מאופיין ביכולתו להכיל אטומים או מולקולות אחרות בתוך חללים גבישיים.

ישנם גם שני שלבים גבישיים אחרים בלחצים גבוהים עוד יותר: K-IV (54 GPa) ו- KV (90 GPa). בטמפרטורות קרות מאוד, אשלגן אף מציג שלב אמורפי (עם אטומי K לא מופרדים).

מספר חמצון

תצורת האלקטרונים של אשלגן היא:

4s ¹

מסלול ה- 4s הוא החיצוני ביותר ולכן יש לו אלקטרון הערכיות היחיד. זה בתיאוריה אחראי לקשר המתכתי המחבר את אטומי K להגדרת גביש.

מאותה תצורת אלקטרונים קל להבין מדוע לאשלגן בדרך כלל תמיד (או כמעט תמיד) יש מספר חמצון של +1. כאשר הוא מאבד אלקטרון אחד ליצירת קטיון K ⁺ , ארגון הגז האצילי, עם שמינתו הערכית המלאה, הופך להיות איזואלקטרוני.

ברוב תרכובות הנגזרות שלה, ההנחה היא כי אשלגן הוא K ⁺ (גם אם קשריו אינם יוניים בלבד).

מצד שני, אם כי פחות סביר, אשלגן יכול להשיג אלקטרון, עם שני אלקטרונים במסלול ה- 4s. לפיכך, מתכת סידן הופכת להיות איזואלקטרונית:

4s ²

אז נאמר שהוא צבר אלקטרון ובעל מספר חמצון שלילי, -1. כאשר מחושב מספר חמצון זה בתרכובת, ההנחה היא כי קיומו של אניון האשלגן, K ^- .

נכסים

מראה חיצוני

מתכת כסופה לבנה מבריק.

מסה מולארית

39.0983 גרם / מול.

נקודת המסה

83.5 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

759 מעלות צלזיוס.

צְפִיפוּת

-0.862 גרם / ס"מ ³ , בטמפרטורת החדר.

-0.828 גרם / ס"מ ³ , בנקודת ההיתוך (נוזל).

מְסִיסוּת

מגיב באלימות עם מים. מסיסים באמוניה נוזלית, אתילנדימין ואנילין. מסיסים במתכות אלקליות אחרות ליצירת סגסוגות ובכספית.

צפיפות אדים

1.4 ביחס לאוויר שצולם כ -1.

לחץ אדים

8 מ"מ מגה"ג ב -432 מעלות צלזיוס.

יַצִיבוּת

יציב אם הוא מוגן מפני אוויר ולחות.

קורוזיביות

זה יכול להיות מאכל במגע עם מתכות. במגע זה עלול לגרום לכוויות בעור.

מתח פנים

86 dynes / cm בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס.

חום של היתוך

2.33 kJ / mol.

חום האידוי

76.9 ק"ג / מול.

קיבולת חום טוחנת

29.6 J / (mol · K).

אלקטרונגטיביות

0.82 בסולם פאולינג.

אנרגיות יינון

רמת יינון ראשונה: 418.8 kJ / mol.

רמת יינון שנייה: 3.052 kJ / mol.

דרגה שלישית של יינון: 4,420 kJ / mol.

רדיו אטומי

227 בערב.

רדיוס קוולנטי

203 ± 12 בערב.

התפשטות תרמית

83.3 מיקרומטר (m · K) ב 25 מעלות צלזיוס.

מוליכות תרמית

102.5 W / (mK).

התנגדות חשמלית

72 ננומטר (ב 25 מעלות צלזיוס).

קַשִׁיוּת

0.4 בסולם מוהס.

איזוטופים טבעיים

אשלגן מופיע בעיקר כשלושה איזוטופים: ³⁹ K (93.258%), ⁴¹ K (6.73%) ו- ⁴⁰ K (0.012%, פליטת β רדיואקטיבית)

מִנוּחַ

לתרכובות אשלגן מספר החמצון +1 כברירת מחדל (עם חריגים מיוחדים מאוד). לפיכך, במינוף המניות הושמט ה- (I) בסוף השמות; ובנושאים מסורתיים, השמות מסתיימים בסיומת-ico.

לדוגמה, KCl הוא אשלגן כלוריד, לא אשלגן (I) כלוריד. שמו המסורתי הוא אשלגן כלוריד או אשלגן מונוקלוריד, על פי המינוח השיטתי.

עבור השאר, אלא אם כן הם שמות או מינרלים נפוצים מאוד (כמו סילווין), המינוח סביב אשלגן הוא די פשוט.

צורות

אשלגן לא נמצא בטבע בצורה מתכתית, אך ניתן להשיג אותו באופן תעשייתי בצורה זו לשימושים מסוימים. הוא נמצא בעיקר ביצורים חיים, בצורה היונית (K ⁺ ). באופן כללי, זהו הקטיון התוך-עיקרי.

אשלגן קיים בתרכובות רבות, כגון אשלגן הידרוקסיד, אצטט או כלוריד וכו '. זה גם חלק מכ -600 מינרלים, כולל סילביט, אלוניט, קרנליט וכו '.

אשלגן יוצר סגסוגות עם אלמנטים אלקליין אחרים, כגון נתרן, צזיום ורובידיום. זה גם יוצר סגסוגות טרנסיות עם נתרן וצזיום, באמצעות מה שמכונה היתוך אאוטקטי.

תפקיד ביולוגי

צמחים

אשלגן מהווה, יחד עם חנקן וזרחן, את שלושת החומרים המזינים העיקריים מהצומח. אשלגן נספג על ידי השורשים בצורה יונית: תהליך המועדף על ידי קיומם של תנאים נאותים של לחות, טמפרטורה וחמצן.

מסדיר פתיחה וסגירה של עגבניות עלים: פעילות המאפשרת ספיגת פחמן דו חמצני, שמשתלב עם מים במהלך פוטוסינתזה ליצירת גלוקוז וחמצן; אלה הם סוכנים המייצרים ATP המהווים את מקור האנרגיה העיקרי של יצורים חיים.

זה מקל על הסינתזה של כמה אנזימים הקשורים לגידול צמחים, בנוסף לעמילן, חומר עתירת אנרגיה. זה גם מתערב באוסמוזה: תהליך הכרחי לספיגת שורשים של מים ומינרלים; ובעליית המים דרך הקסילם.

כלורוזיס הוא ביטוי למחסור באשלגן בצמחים. הוא מאופיין בכך שהעלים מאבדים את הירקות שלהם והופכים לצהובים, עם קצוות שרופים; ולבסוף מתרחש ניוון ניוון, עם עיכוב בצמיחת הצומח.

חיות

אצל בעלי חיים, באופן כללי, אשלגן הוא הקטיון התוך הראשי העיקרי בריכוז של 140 מ"מ / ל"ל; בעוד שהריכוז החוץ תאי משתנה בין 3.8 ל 5.0 מ"מ / ל"ל. 98% מהאשלגן בגוף מוגבל לתא התאי.

למרות שצריכת אשלגן יכולה להשתנות בין 40 ל 200 ממול / יום, הריכוז החוץ-תאי נשמר קבוע על ידי ויסות הפרשת הכליה. ההורמון אלדוסטרון, המסדיר את הפרשת האשלגן ברמה של הצינורות האיסוף והדיסטלי, מעורב בכך.

אשלגן אחראי באופן מרכזי לשמירה על אוסמולולריות תוך-תאית, ולכן הוא אחראי על שמירה על שלמות הסלולר.

למרות שממברנת הפלזמה חדירה יחסית לאשלגן, הריכוז התוך-תאי שלה נשמר על ידי פעילות האנזים Na, ATPase (משאבת נתרן ואשלגן) המסיר שלושה אטומי נתרן ומכניס שני אטומי אשלגן.

קיטוב מחדש של תאים

תאים נרגשים, המורכבים מנוירונים ותאי שרירים מפושטים וחלקים; ותאי שרירים מפוספסים, המורכבים מתאי שרירים שלדיים ולביים, כולם מסוגלים ליצור פוטנציאל פעולה.

החלק הפנימי של תאים נרגשים נטען לשלילה ביחס לחיצוניותו של התא, אך כאשר הם מעוררים כראוי, החדירות של קרום הפלזמה של התאים לנתרן עולה. קטיון זה חודר דרך קרום הפלזמה והופך את פנים התא לחיובי.

התופעה שהתרחשה נקראת פוטנציאל פעולה, שיש לה קבוצה של תכונות, ביניהן היא מסוגלת להתפשט ברחבי הנוירון. פקודה שהוציא המוח נעה כפוטנציאל פעולה לשריר נתון בכדי לגרום לו להתכווץ.

כדי שתהיה פוטנציאל פעולה חדש, על פנים התא צריך להיות מטען שלילי. לשם כך, יש יציאה של אשלגן מחלקו הפנימי של התא, ומחזירה אותו לשליליות המקורית שלו. תהליך זה נקרא קיטוב מחדש, היות והוא פונקציה עיקרית של אשלגן.

לפיכך, היווצרות פוטנציאלים לפעולה והתחלת התכווצות השרירים נאמרים כאחריות משותפת של נתרן ואשלגן.

פעולות אחרות

אשלגן משמש לתפקודים אחרים בבני אדם, כמו טונוס כלי דם, שליטה בלחץ הדם המערכתי ותנועתיות במערכת העיכול.

עלייה בריכוז האשלגן בפלזמה (היפרקלמיה) מייצרת שורה של תסמינים כמו חרדה, בחילה, הקאות, כאבי בטן ואי סדרים באלקטרוקרדיוגרמה. גל ה- T הקשור לקיטוב מחדש של חדרי הוא גבוה ורחב.

רשומה זו מוסברת מכיוון שככל שהריכוז החוץ תאי של אשלגן עולה, הוא משאיר את פנים התא לאט יותר, כך שקיטוב חדרי החד איטי יותר.

ירידה בריכוז האשלגן בפלסמה (היפוקלקסמיה) מציגה, בין היתר, את התסמינים הבאים: חולשת שרירים, ירידה בתנועתיות המעי, ירידה בסינון הגלומרולרי, הפרעות בקצב הלב והשטחת גל ה- T של האלקטרוקרדיוגרמה.

גל ה- T מתקצר, שכן על ידי הפחתת הריכוז החוץ תאי של אשלגן, מאפשרת יציאתו לכיוון חיצוני התא ומשך הקיטוב מחדש פוחת.

איפה נמצא אשלגן וייצור

קריסטל סילוויט המורכב כמעט מאשלגן כלורי. מקור: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

אשלגן מצוי בעיקר בסלעים, פצלים ומשקעים סוערים. כמו כן, במינרלים כמו מוסקוביט ואורתוקלאז, שאינם מסיסים במים. Orthoclase הוא מינרל המופיע לרוב בסלעים גרגניים וגרניט.

אשלגן קיים גם בתרכובות מינרליות מסיסות במים, כגון קרנלייט (KMgCl ₃ · 6H ₂ O), סילוויט (KCl), ונדביין הנמצא במצעי אגם יבשים ועל קרקעית הים.

בנוסף, אשלגן נמצא במלחנות וכמוצר של שריפת גזעי צמחים ועלים בתהליך המשמש לייצור אשלג. למרות שריכוזם במי הים הוא נמוך (0.39 גרם / ל '), הוא משמש גם להשגת אשלגן.

אשלגן קיים בפיקדונות גדולים, כמו זה בססקצ'ואן, קנדה, עשיר במילביט מינרלי (KCl) ומסוגל לייצר 25% מצריכת האשלגן העולמית. נוזלי פסולת מלוחים יכולים להכיל כמות משמעותית של אשלגן, בצורה של KCl.

הַפרָדָה חַשְׁמָלִית

אשלגן מיוצר בשתי שיטות: אלקטרוליזה ותרמית. באלקטרוליזה נעשתה השיטה בה השתמש דייווי לבידוד אשלגן ללא שינויים גדולים.

עם זאת, שיטה זו מנקודת המבט התעשייתית לא הייתה יעילה, מכיוון שיש להוריד את נקודת ההתכה הגבוהה של תרכובות האשלגן המותך.

שיטת האלקטרוליזה של אשלגן הידרוקסיד שימשה באופן תעשייתי בשנות העשרים של המאה העשרים. השיטה התרמית בכל זאת החליפה אותה, והפכה לשיטה הדומיננטית לייצור מתכת זו לאחר 1950.

שיטה תרמית

בשיטה התרמית מיוצר אשלגן על ידי הפחתת אשלגן כלוריד מותך בחום 870 מעלות צלזיוס. זה מוזן ברציפות לטור זיקוק עמוס במלח. בינתיים אדי הנתרן עובר דרך העמוד כדי לייצר הפחתה של אשלגן כלורי.

אשלגן הוא המרכיב הפכפך ביותר בתגובה ומצטבר בראש עמוד הזיקוק, שם הוא נאסף ברציפות. ניתן לתאר את ייצור האשלגן המתכתי בשיטה התרמית במשוואה הכימית הבאה:

Na (g) + KCl (l) => K (l) + NaCl (l)

תהליך גריסהיימר, המשתמש בתגובה של אשלגן פלואוריד עם סידן קרביד, משמש גם בייצור אשלגן:

2 KF + CaC ₂ => 2 K + CaF ₂ + 2 C

תגובות

דוֹמֵם

אשלגן הוא מרכיב ריאקטיבי ביותר המגיב במהירות עם חמצן ליצירת שלוש תחמוצות: תחמוצת אשלגן (K ₂ O), חמצן (K ₂ O ₂ ) וסופרוקסיד (KO ₂ ).

אשלגן הוא יסוד מצמצם מאוד, וזו הסיבה שהוא מתחמצן מהר יותר מרוב המתכות. הוא משמש להפחתת מלחי מתכת, החלפת אשלגן למתכת במלח. שיטה זו מאפשרת השגת מתכות טהורות:

MgCl ₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

אשלגן מגיב חזק עם מים ליצירת אשלגן הידרוקסיד ומשחרר גז מימן מתפרץ (תמונה למטה):

אשלגן מתכתי מגיב בתמיסה מימית של פניולפתלין, שהופך לאדום-סגול כאשר יוני ה- OH משתחררים למדיום. שימו לב להיווצרות גז מימן. מקור: אוראורה של אוזון ופיליפ אוונס דרך ויקיפדיה.

אשלגן הידרוקסיד יכול להגיב עם פחמן דו חמצני לייצור אשלגן פחמתי.

אשלגן מגיב עם חד תחמוצת הפחמן בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס ליצירת קרבוניל מתפרץ (K ₆ C ₆ O ₆ ). זה גם מגיב עם מימן בטמפרטורה של 350 מעלות צלזיוס ויוצר הידריד. הוא גם מגיב מאוד עם הלוגנים ומתפוצץ במגע עם ברום נוזלי.

פיצוצים מתרחשים גם כאשר אשלגן מגיב עם חומצות הלוגניות, כמו חומצה הידרוכלורית, והתערובת נפגעה או מטלטלת חזק. אשלגן מותך מגיב עוד יותר עם גופרית ומימן גופרתי.

אורגני

מגיב עם תרכובות אורגניות המכילות קבוצות פעילות, אך אינרטי לפחמימנים אליפטיים וארומטיים. אשלגן מגיב לאט עם אמוניה ליצירת אשלגן (KNH ₂ ).

שלא כמו נתרן, אשלגן מגיב עם פחמן בצורה של גרפיט ליצירת סדרה של תרכובות בין-לאומינאריות. לתרכובות אלה יחס אטומי פחמן-אשלגן: 8, 16, 24, 36, 48, 60 או 1; כלומר KC ₆₀ , למשל.

יישומים

אשלגן מתכתי

אין הרבה ביקוש תעשייתי לאשלגן מתכתי. מרביתו מומר לסופרוקסיד אשלגן, המשמש במכני הנשמה, מכיוון שהוא משחרר חמצן ומסלק פחמן דו חמצני ואדי מים.

לסגסוגת NaK יכולת ספיגת חום רבה, וזו הסיבה שהוא משמש כנוזל קירור בכורים כורים גרעיניים. באופן דומה משתמשים במתכות מאדות בטורבינות.

תרכובות

כלוריד

KCl משמש בחקלאות כדשן. הוא משמש גם כחומר גלם לייצור תרכובות אשלגן אחרות, כגון אשלגן הידרוקסיד.

הידרוקסיד

ידוע גם בשם אשלג קאוסטי, KOH, והוא משמש לייצור סבונים וחומרי ניקוי.

תגובתו ליוד מייצרת יוד אשלגן. מלח זה מתווסף למלח השולחן (NaCl) ומוזן כדי להגן עליו מפני מחסור ביוד. אשלגן הידרוקסיד משמש לייצור סוללות אלקליות.

חַנְקָה

ידוע גם בשם מלח, KNO ₃ , הוא משמש כדשן. בנוסף, הוא משמש לתכנית זיקוקים; כחומר משמר מזון, וכוס זכוכית מתקשה.

כרומט

הוא משמש בייצור דשנים וייצור אלומיניום אשלגן.

פַּחמָה

הוא משמש לייצור זכוכית, במיוחד לאלה המשמשים לייצור טלוויזיות.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2019). אֶשׁלָגָן. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. McKeehan LW (1922). מבנה הקריסטל של אשלגן. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית, 8 (8), 254–255. doi: 10.1073 / pnas.8.8.254
4. Masafumi Sakata et al. (2017). מעבר שלב מבני של אשלגן בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה נמוכה. ג'יי פיס .: מס '950 042020.
5. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). אֶשׁלָגָן. מאגר PubChem., CID = 5462222. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (03 במאי 2019). אֶשׁלָגָן. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
7. החברה המלכותית לכימיה. (2019). אֶשׁלָגָן. התאושש מ: rsc.org
8. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (24 בינואר, 2019). 10 עובדות אשלגן. התאושש מ: thoughtco.com
9. הטוב וטיילור. (2003). הבסיס הפיזיולוגי של העיסוק הרפואי. (מהדורה 13 בספרדית). העריכה של מדיקה פאנמריקנה.
10. אלם אקסיאקאטל. (02 במרץ, 2018). חשיבות האשלגן (K) בצמחים מעובדים. התאושש מ: blogagricultura.com
11. Lenntech BV (2019). אֶשׁלָגָן. התאושש מ: lenntech.com