Vật lý

Kali là kim loại nhẹ thứ 2 sau liti. 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,[25][26] 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 (xem đoạn phim bên dưới.)[27][26]

Nguyên tử Kali có 19 proton và 19 electron, với đồng vị bền có 20 neutron. Bán kính nguyên tử trung bình 2,77 Å, Vm là 45,46 cm³/mol.[28] Cấu hình điện tử của Kali như sau:

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.[29] 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+.[30] Quá trình này cần ít năng lượng đến nỗi kali dễ dàng bị ôxy hóa bởi ôxy 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.[30] Do đó, kali không sẵn sàng để tạo thành các hợp chất ở trạng thái ôxy hóa +2 (hoặc cao hơn).[29]

Kali phản ứng với ôxy trong không khí tạo thành kali peroxit và phản ứng với nước tạo thành kali hiđroxit. 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 ôxy trong khí quyển tạo thành nước, lượng nước này lại tiếp tục phản ứng với kali dư.[26] 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.[26][31]

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.[26] 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.[32] 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.[33] Ví dụ, dùng kali làm chất khử để điều chế magiê bằng phương pháp Rieke từ Magie clorua:

Hợp chất

Kali chỉ có một trạng thái ôxy hóa phổ biến là +1. Kim loại kali là chất phản ứng mạnh do nó dễ dàng bị ôxy hóa tạo ra cation K+. Khi bị ôxy hóa nó rất bền và khó bị khử trở lại thành kim loại.[29]

Kali hydroxit dễ dàng phản ứng với cacbon điôxít tạo ra kali cacbonat, và được dùng để loại các tạp chất khí trong không khí. Nhìn chung, các hợp chất kali hòa tan trong nước rất tốt, do năng lượng hydrat hóa của ion K+ cao. Ion kali không màu khi tan trong nước và rất khó kết tủa; nó có thể kết tủa với natri tetraphenylborat, axít hexachloroplatinic, và natri cobaltinitrit.[26]

Kali ôxy hóa nhanh hơn hầu hết các kim loại và tạo thành các ôxít với các liên kết ôxy-ôxy, cũng giống như các kim loại kiềm khác trừ liti. Có ba loại ôxít được hình thành trong phản ứng này gồm kali ôxít, kali peroxit, và kali superôxít,[34] gồm 3 kiểu ion gốc ôxy khác nhau: ôxít (O2−), peroxit (O2−2), và superôxít (O−2). Hai hợp chất sau, đặc biệt là superôxít thì hiếm gặp và chỉ được tạo ra trong phản ứng với các kim loại có tính dương điện cao; các hợp chất này chứa các liên kết ôxy-ôxy.[32] Tất cả các hợp chất kali hai phân tử đã được biết đến phản ứng rất mãnh liệt với nước tạo thành kali hyđrôxít, đây là hợp chất có tính kiềm rất mạnh và 1,21 kg chất kiềm này có thể hòa tan trong khoảng 1 lít nước.[35][36]

Các hợp chất kali phân li mạnh và hầu hết chúng có thể hòa tan trong nước. Các dạng chính tồn tại trong nước là các hợp chất phức [K(H2O)n]+ với n = 6 và 7.[37] Một ít muối của nó hòa tan kém trong nước như kali tetraphenylborat, kali hexachloroplatinat, và kali cobaltinitrit.[26][38]

Đồng vị

Có 24 đồng vị của kali đã được biết, trong đó có 3 đồng vị có trong tự nhiên: K39 (93,3%), K40 (0,01%) và K41 (6,7%). Đồng vị tự nhiên K40 có chu kỳ bán rã 1,250×109 năm và phân rã thành Ar40 (11,2%) bằng cách bắt điện tử và bằng bức xạ positron, cũng như phân rã thành đồng vị ổn định Ca40 (88,8%) bằng bức xạ beta.[39]

Sự phân rã của K40 thành Ar40 thông thường được sử dụng làm phương pháp đánh giá tuổi các loại đá. Phương pháp đánh giá tuổi bằng tỷ lệ K/Ar phụ thuộc vào giả thiết rằng các loại đá không chứa agon ở thời điểm tạo ra nó và mọi agon do phóng xạ sinh ra sau đó (Ar40) về mặt lượng là được bảo toàn, tức là một hệ thống kín. Các khoáng chất được xác định tuổi bằng cách đo mật độ của kali cũng như lượng Ar40 do phóng xạ sinh ra đã được tích lũy. Các khoáng chất phù hợp để xác định tuổi là biôtit, muscôvit, và plutonit/hocblen biến chất, cũng như fenspat núi lửa; toàn bộ các mẫu đá từ nham thạch núi lửa và đá xâm nhập nông có thể được xác định tuổi nếu chúng chưa bị thay thế.[39][40] Ngoài ra, các đồng vị kali còn được sử dụng như là chất đánh dấu vết trong nghiên cứu thời tiết. Chúng cũng được sử dụng trong các nghiên cứu về chu trình vận chuyển các chất dinh dưỡng vì kali là chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho sự sống.[41]

K40 có trong kali tự nhiên (và vì thế có trong các sản phẩm muối thương mại) trong một lượng vừa đủ đến mức một túi lớn của các chất này có thể sử dụng như nguồn phóng xạ cho các minh họa trong lớp học. Ở người và động vật khỏe mạnh, 40K là một nguồn phóng xạ lớn nhất thậm chí còn hơn cả 14C. Trong cơ thể một người nặng 70 kg có khoảng 4.400 hạt nhân 40K phân rã mỗi giây.[42] Mức độ phân rã của kali tự nhiên là 31 Bq/g.[43]

Sự phổ biến

Kali được hình thành trong vũ trụ bởi quá trình tổng hợp hạt nhân từ các nguyên tử nhẹ hơn. Dạng bền của kali được tạo ra trong các vụ nổ siêu tân tinh bằng quá trình đốt cháy ôxy.[44] Kim loại kali không tồn tại trong tự nhiên do độ hoạt động mạnh của nó với nước. Ở dạng hợp chất, nguyên tố này chiếm khoảng 2,4% trọng lượng lớp vỏ Trái Đất và là nguyên tố phổ biến thứ bảy trong lớp này, tương đương với natri là 1,8%.[45]. Trong nước biển, nồng độ của kali là 0,39 g/L[6] rất thấp so với natri là 10,8 g/L.[46][47]

Orthoclase (feldspar kali KAlSi3O8) là một khoáng vật tạo đá phổ biến. Ví dụ như trong đá granit chứa 5% kali, hàm lượng này cao hơn hàm lượng trung bình của kali trong vỏ Trái Đất. Sylvit (KCl), carnallit (KCl·MgCl2·6(H2O)), kainit (MgSO4·KCl·3H2O) và langbeinite (MgSO4·K2SO4)) là các khoáng vật được tìm thấy ở dạng các đá bay hơi của các hồ và nền biển cổ trên khắp thế giới. Các mỏ này thường có sự phân lớp bắt đầu với lớp ít hòa tan nằm dưới đáy và lớp hòa tan nhất nằm ở trên mặt.[47] Các mỏ dạng trứng (kali nitrat) được hình thành từ sự phân rã các khoáng vật hữu cơ trong đới tiếp xúc với khí quyển, hầu hết là trong các hang động; do khả năng hòa tan cao trong nước của chất này nên việc hình thành các mỏ lớn cần có các điều kiện môi trường đặc biệt.[48]