Калий группа. Калий в природе (2,4% в Земной коре)
Введение
Человечество знакомо с калием больше полутора веков. В лекции, прочитанной в Лондоне 20 ноября 1807 г., Хэмфри Дэви сообщил, что при электролизе едкого кали он получил «маленькие шарики с сильным металлическим блеском… Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом». Это и был калий.
Калий – замечательный металл. Замечателен он не только потому, что режется ножом, плавает в воде, вспыхивает на ней со взрывом и горит, окрашивая пламя в фиолетовый цвет. И не только потому, что этот элемент – один из самых активных химически. Все это можно считать естественным, потому что соответствует положению щелочного металла калия в таблице Менделеева. Калий замечателен своей незаменимостью для всего живого и примечателен как всесторонне «нечетный» металл.
Обратите внимание: его атомный номер 19, атомная масса 39, во внешнем электронном слое – один электрон, валентность 1+. Как считают химики, именно этим объясняется исключительная подвижность калия в природе. Он входит в состав нескольких сотен минералов. Он находится в почве, в растениях, в организмах людей и животных. Он – как классический Фигаро: здесь – там – повсюду.
1. Калий
(Kalium), К, химический элемент 1 группы периодической системы Менделеева; атомный номер 19, атомная масса 39,098; серебряно-белый, очень лёгкий, мягкий и легкоплавкий металл. Элемент состоит из двух стабильных изотопов – 39 K (93,08%), 41 K (6,91%) и одного слабо радиоактивного 40 K (0,01%) с периодом полураспада 1,32×10 9 лет.
Некоторые соединения К. (например, поташ, добывавшийся из древесной золы) были известны уже в древности; однако их не отличали от соединений натрия. Только в 18 в. было показано различие между «растительной щёлочью» (поташем K 2 CO 3) и «минеральной щёлочью» (содой Na 2 CO 3). В 1807 Г. Дэви электролизом слегка увлажнённых твёрдых едких кали и натра (KOH и NaOH) выделил К. и натрий и назвал их потассием и содием. В 1809 Л.В. Гильберт предложил название «калий» (от араб. аль-кали – поташ) и «натроний» (от араб. натрун – природная сода); последнее И.Я. Берцелиус в 1811 изменил на «натрий». Название «потассий» и «содий» сохранились в Великобритании, США, Франции и некоторых др. странах. В России эти названия в 1840-х гг. были заменены на «калий» и «натрий», принятые в Германии, Австрии и Скандинавских странах.
2. Распространение в природе
Калий – распространённый элемент: содержание в литосфере 2,50% по массе. В магматических процессах К., как и натрий, накапливается в кислых магмах, из которых кристаллизуются граниты и др. породы (среднее содержание К. 3,34%). К. входит в состав полевых шпатов и слюд. В основных и ультраосновных породах, богатых железом и магнием, К. мало. На земной поверхности К., в отличие от натрия, мигрирует слабо. При выветривании горных пород К. частично переходит в воды, но оттуда его быстро захватывают организмы и поглощают глины, поэтому воды рек бедны К. и в океан его поступает много меньше, чем натрия. В океане К. поглощается организмами и донными илами (например, входит в состав глауконита); поэтому океанические воды содержат лишь 0,038% К. – в 25 раз меньше, чем натрия. В прошлые геологические эпохи, особенно в пермском периоде (около 200 млн. лет назад) на поздних стадиях испарения морской воды в лагунах, после осаждения NaCl, кристаллизовались соли К. и магния – карналлит KCI×MgCI 2 ×6H 2 O и др. (Соликамское месторождение в СССР, Штасфуртское в ГДР и т.д.; см. Калийные соли). В большинстве почв растворимых соединений К. мало, и культурные растения нуждаются в калийных удобрениях.
Радиоактивный изотоп 40 K – важный источник глубинного тепла, особенно в прошлые эпохи, когда этого изотопа было больше. При распаде 40 K образуются 40 Ca и аргон 40 Ar, уходящий в атмосферу. Некоторые минералы К. не теряют аргона, и по его содержанию можно определить абсолютный возраст горных пород (т. н. калий-аргоновый метод).
Своеобразен геохимический цикл калия – одного из. химических элементов, составляющих 99,9% массы земной коры. Его кларк равен 2,50%, а геохимический цикл складывается из разнообразных процессов, протекающих в земной коре, интенсивного биологического круговорота и несколько ограниченной водной миграции с суши в океан. Кларк калия в каменных метеоритах 0,085%, в веществе верхней мантии еще меньше – 0,03%, в магматических породах основного состава (базальтах) – 0,81%, в породах, богатых кремнием (гранитах), – 3,34%. Таким образом, очевидна постепенная концентрация этого элемента от вещества мантии к верхней части земной коры. По-видимому, калий вместе с другими щелочными и щелочноземельными элементами, алюминием и кремнием выплавлялся из вещества мантии и накапливался в земной коре. Калий принимает активное участие в магматическом процессе, его основная масса включается в твердое вещество на последних стадиях кристаллизации. Он входит в состав самых распространенных глубинных силикатов. В зоне выветривания при перестройке кристаллохимических структур силикатов большая часть калия остается в составе новых минералов и лишь частично переходит в растворимое состояние.
К. – один из биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Суточная потребность в К. у взрослого человека (2–3 г .) покрывается за счёт мяса и растительных продуктов; у грудных детей потребность в К. (30 мг/кг ) полностью покрывается грудным молоком, в котором 60–70 мг % К. Многие морские организмы извлекают К. из воды. Растения получают К. из почвы. У животных содержание К. составляет в среднем 2,4 г/кг . В отличие от натрия, К. сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его много меньше. В клетке К. распределён неравномерно.
Ионы К. участвуют в генерации и проведении биоэлектрических потенциалов в нервах и мышцах, в регуляции сокращений сердца и др. мышц, поддерживают осмотического давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм К. тесно связан с углеводным обменом; ионы К. влияют на синтез белков. К + в большинстве случаев нельзя заменить на Na + . Клетки избирательно концентрируют К + . Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу К + из клеток, часто в обмен на Na + . Выделяется К. из организма главным образом с мочой. Содержание К. в крови и тканях позвоночных регулируется гормонами надпочечников – кортикостероидами. В растениях К. распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много К. в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах (20–30 г ./кг сухого вещества). При недостатке К. в почвах замедляется рост растений, повышается заболеваемость. Норма калийных удобрений зависит от типа с.-х. культуры и почвы.
В биосфере микроэлементы Rb и Cs сопутствуют К. Ионы Li + и Na + – антагонисты К + , поэтому важны не только абсолютные концентрации К + и Na + , но и оптимальные соотношения K + /Na + в клетках и среде. Естественная радиоактивность организмов (гамма-излучение) почти на 90% обусловлена присутствием в тканях естественного радиоизотопа 40 K.
В медицине с лечебными целями применяют ацетат CH 3 COOK как мочегонное (чаще против отёков, вызванных сердечной недостаточностью) и хлорид KCl в случае недостаточности К. в организме (развивается при лечении некоторыми гормональными препаратами, наперстянкой, при большой потере жидкости с рвотой и поносом, при применении некоторых мочегонных средств и др.). Перхлорат KClO 4 тормозит продукцию тироксина (гормона щитовидной железы) и применяется при тиреотоксикозе. Перманганат калия KMnO 4 (марганцовокислый калий) используют как антисептическое средство.
Полевы е шпа ты, группа наиболее распространённых породообразующих минералов, составляющих более 50% земных и лунных горных пород и входящих в метеориты. Состав П. ш. определяется в основном соотношением компонентов в тройной системе: NaAISi 3 O 8 – KAISi 3 O 8 – CaAl 2 Si 2 O 8 , т.е. это алюмосиликаты Na, К, Са (с примесью Ba, Sr, Pb, Fe, Li, Rb, Cs, Eu, Ce идр.). Основой структуры всех П. ш. являются трёхмерный каркас, состоящий из тетраэдрических групп (Al, Si) O 4 , в которых от одной трети до половины атомов Si замещено Al. В крупных пустотах этого каркаса располагаются одновалентные катионы К + и Na + (при отношении Al: Si = 1:3) или двухвалентные катионы Ca 2+ и Ba 2+ (при Al:Si = 1:2).
В группе П. ш. выделяются две серии твёрдых растворов: KAISi 3 O 8 – NaAISi 3 O 8 (калинатровые, или щелочные, П. ш. и NaAISi 3 O 0 – CaAI 2 Si 2 O 8 – плагиоклазы). Редко встречаются бариевые П. ш. BaAI 2 Si 2 O 8 – цельзиан и твёрдые растворы KAISi 3 O 0 – BaAl 2 Si 2 O 8 – гиалофан (до 10–30% Ba).
Большое число разновидностей П. ш. обусловлено сложными соотношениями состава [главных компонентов и примесей], упорядоченности распределения Al и Si по структурным положениям, распада твёрдых растворов, субмикроскопического двойникования.
Среди существенно калиевых П. ш. различают санидин, имеющий моноклинную симметрию, с неупорядоченным распределением Si и Al, максимальный микроклин (триклинный) с полностью упорядоченным распределением Si и Al, промежуточные микроклины и ортоклаз (предположительно, псевдомоноклинный), состоящий из субмикроскопически сдвойникованных триклинных доменов.
Высокотемпературные калинатровые П. ш. являются неупорядоченными и образуют непрерывную серию твёрдых растворов; низкотемпературные претерпевают распад с образованием пертитов – закономерных прорастаний микроклина или ортоклаза и натрового П. ш. – альбита. Все разновидности плагиоклазов бывают высокотемпературными (неупорядоченными в отношении распределения алюминия и кремния), низкотемпературными (упорядоченными) и промежуточными.
Изменения степени упорядоченности и состава плагиоклазов проявляются при сохранении триклинной симметрии в весьма сложных изменениях структуры и в образовании двух областей чрезвычайно тонкой несмесимости – в ряду олигоклазов илабрадоров, сопровождающемся иризацией.
Точные определения состава и структурного состояния (упорядоченности) П. ш. проводятся с помощью диаграмм оптической ориентировки, углов оптических осей и др., измеряемых на Федорова столике, а также рентгенографическими (дифрактометрическими) методами.
Плагиоклазы и микроклины почти всегда полисинтетически сдвойникованы, т.е. образуют микроскопические срастания многих индивидов по различным характерным двойниковым законам.
Таблитчатый или призматический облик П. ш. в горных породах определяется хорошо развитыми гранями {010} и {001}, по которым образуется совершенная спайность под прямым или близким к нему углом, и гранями {110}. Твёрдость П. ш. по минералогической шкале 6–6,5; плотность 2500–2800 кг/м 3 П. ш. сами по себе бесцветны: различную окраску (серую, розовую, красную, зелёную, чёрную и др.) им придают мельчайшие включения гематита, гидроокислов железа, роговой обманки, пироксена и др.; окраску амазонита – сине-зелёного или зелёного микроклина – связывают с электронным центром Pb, замещающим К. В спектрах люминесценции П. ш. различаются полосы Pb 2+ , Fe 3+ , Ce 3+ , Eu 2+ . По спектрам электронного парамагнитного резонанса в П. ш. устанавливаются электронные центры Ti 3+ и дырочные центры Al–O - –Al, образующиеся в результате захвата дефектами решётки соответственно электрона или дырки.
П. ш. служат основой классификации горных пород. Важнейшие типы горных пород сложены в основном П. ш.: интрузивные – граниты, сиениты (щелочные П. ш. и плагиоклазы), габбро, диориты (плагиоклазы); эффузивные – андезиты, базальты; метаморфические – гнейсы, кристаллические сланцы, контактно- и регионально-метаморфизованные породы, пегматиты. В осадочных породах П. ш. встречаются в виде обломочных зёрен и новообразований (аутигенные П. ш.). В лунных породах (лунные базальты, габбро, анортозиты) отмечены только плагиоклазы.
Значение П. ш. определяется тем, что благодаря широким вариациям состава и свойств они используются при геологопетрографических исследованиях массивов магматических и метаморфических пород. Соотношение изотопов 40 K/ 40 Ar калинатровых П. ш. используется для определения абсолютного возраста горных пород.
Щелочные П. ш. пегматитов и маложелезистых пород применяются в керамической, стекольной, фарфоро-фаянсовой промышленности. Полевошпатовые породы (лабрадориты) служат облицовочным материалом. Амазонит, лунный камень (иризирующий олигоклаз) используются как поделочные камни.
Слю ды, группа минералов – алюмосиликатов слоистой структуры с общей формулой R 1 R 2-3 (OH, F) 2 , где R 1 = К, Na; R 2 = Al, Mg, Fe, Li (см. Силикаты природные). Основной элемент структуры С. представлен трёхслойным пакетом из двух тетраэдрических слоев с находящимся между ними октаэдрическим слоем, состоящим из катионов R 2 . Два из шести атомов кислорода октаэдров замещены гидроксильными группами (ОН) или фтором. Пакеты связываются в непрерывную структуру через ионы К + (или Na +) с координационным числом 12. По числу октаэдрических катионов в химической формуле различаются диоктаэдрические и триоктаэдрические С.: катионы Al + занимают два из трёх октаэдров, оставляя один пустым, тогда как катионы Mg 2 + , Fe 2+ и Li + с Al + занимают все октаэдры. С. кристаллизуются в моноклинной (псевдотригональной) системе. Относительное расположение шестиугольных ячеек поверхностей трёхслойных пакетов обусловлено их поворотами вокруг оси с на различные углы, кратные 60°, в сочетании со сдвигом вдоль осей а и в элементарной ячейки. Это определяет существование полиморфных модификаций (политипов) С., различаемых рентгенографически. Обычны политипы моноклинной симметрии.
Калий (лат. – Kalium, K) содержится в организме в относительно большом количестве. Поэтому его относят к жизненно важным макроэлементам. Калий формирует постоянство внутриклеточной среды, обеспечивает проведение нервных импульсов. Он регулирует кислотно-основной баланс, участвует в обмене других соединений, влияет на работу сердца, почек, желудочно-кишечного тракта (ЖКТ).
История открытия
Калийная соль, поташ, была известная людям издревле. Поташ – это карбонат калия, К 2 СО 3 . Данное вещество называли древесной или растительной щелочью, т.к. получали из золы, образующейся при сжигании древесины, богатой калием.
Поташ использовали в бытовых целях (стирка одежды, мыловарение), и в качестве минерального удобрения. Правда, в те времена растительную щелочь часто путали с минеральной щелочью, карбонатом натрия, Na 2 СО 3 .
В чистом виде калий был получен в 1807 г. Английский химик Дэви выделил этом металл путем электролиза из едкого кали, калиевой щелочи, КОН. Вновь открытый металл первоначально назвали потассием от слова поташ.
Это название сохранилось в некоторых языках и поныне. Спустя короткое время металл назвали калием от арабского аль-кали, что означает зола растений. Это название закрепилось за металлом в русском языке.
Свойства
Калий – представитель I группы IV периода таблицы элементов Менделеева, где он значится под № 19. Атомная масса К – 39. На внешней орбите калия вращается один неспаренный электрон. Поэтому калий одновалентен, K(I).
Наряду с другими металлами I группы, в т.ч. натрием, литием, цезием его относят к группе щелочных металлов. При взаимодействии с другими веществами-неметаллами щелочные металлы с легкостью отдают им свой неспаренный электрон. Поэтому они являются сильными восстановителями. Как следует из названия, эти металлы способны образовывать сильные основания, щелочи.
Внешне калий представляет собой серебристо белый легкий и легкоплавкий металл. Он легче воды – его плотность составляет 0,856 г/см 3 . Уже при температуре 63,55 0 С калий плавится, а закипает при температуре 760 0 С. Калий не только легкий, но и мягкий металл – его даже можно резать ножом. Правда, в чистом виде калий в природе не встречается.
В атомах калия внешний неспаренный электрон относительно удален от атомного ядра, и с легкостью переходит к атомам других веществ. Отсюда и более высокая химическая активность калия в сравнении с другими щелочными металлами, литием и натрием. Калий быстро окисляется на воздухе. При взаимодействии с атмосферным кислородом образуется окись, К 2 О, перекись, К 2 О 2 , и надперекись, КО 2 .
Чтобы уберечь чистый калий от окисления, его хранят под слоем масла или керосина, жидкостей, не пропускающих кислород. При взаимодействии с водой образуется едкое кали, КОН, очень сильная щелочь. Калий реагирует со всеми неметаллами, с кислотами, а также с солями других металлов.
При этом образуются калийные соли. Эти соли включены в состав многих природных минералов. Калийсодержащие минералы находятся в почве, и в растворенном виде в воде морей и озер.
По распространенности в земной коре среди всех элементов таблицы Менделеева калий находится на 7 месте, а среди всех металлов – на 5. Его процентное содержание в земной коре – 2,5%.
В растворенном виде из почвы калий проникает в ткани растений, где наряду с другими факторами он обеспечивает фотосинтез. Далее в качестве корма и пищи калий поступает в организм животных и человека.
Физиологическое действие
Калий наряду с кальцием, фосфором, натрием, хлором является для нас основным жизненно важным макроэлементом. В зависимости от пола и возраста в наших тканях содержится от 150 до 250 г. калия, что составляет примерно 0,35% от общей массы тела. Среди других макроэлементов по содержанию в организме калий занимает 3 место, уступая лишь кальцию и фосфору.
Физиологическая роль калия в значительной мере обусловлена противоречием, антагонизмом с другим электролитом, натрием (Na). Оба макроэлемента, натрий и калий, во многом сходны. Оба являются щелочными металлами, оба химически активны. Но их содержание внутри клетки и во внеклеточном пространстве неодинаково. Больше всего натрия находится снаружи клетки. Здесь его в 14 раз больше, чем внутри клетки.
У калия все с точностью до наоборот. Это внутриклеточный макроэлемент, и внутри клетки его в 35 раз больше, чем снаружи. Разумеется, такая разница или градиент ионов натрия и калия по обе стороны клеточной мембраны не может создаваться сама по себе. Должен быть некий механизм, который действует на субклеточном уровне и поддерживает трансмембранный градиент К и Na.
И такой механизм есть. Это т.н. натрий-калиевый насос или помпа. В данном случае под помпой подразумевают специфический фермент-переносчик, натрий-калиевую АТФ-азу. Суть работы этого фермента заключается в транспорте против градиента ионов натрия наружу из клетки, и калия снаружи внутрь клетки. Данный процесс именую т активным транспортом. Он отличается от пассивного транспорта, при котором движение электролитов осуществляется само по себе, по градиенту, в результате чего содержание ионов по обе стороны мембраны уравнивается.
Активный транспорт процесс т сложный, энергозависимый, и протекает в несколько этапов:
- Ионы натрия сосредотачиваются внутри клетки около мембраны, и точно так же ионы калия сосредотачиваются снаружи клетки.
- АТФ-аза фосфорилируется, отщепляет остаток фосфорной кислоты от молекулы Аденозинтрифосфата (АТФ).
- В фосфорилированном состоянии фермент захватывает 3 иона натрия, и перемещает их наружу.
- Снаружи натрий-калиевая АТФ-аза захватывает 2 иона калия.
- Далее происходит дефосфорилирование фермента натрий-калиевой АТФ-азы.
- В дефосфорилированном состоянии она перемещает ионы калия внутрь клетки.
В конечном итоге за каждый цикл 3 иона натрия перемещаются из клетки наружу, а вместо них внутрь клетки направляются 2 иона калия.
Значение натрий-калиевого насоса трудно переоценить.
- За счет того, что вместо 3 положительно заряженных ионов натрия внутрь поступают только 2 положительно заряженных иона калия, внутренняя часть мембраны становится заряженной более отрицательно по отношению к ее внешней стороне. Мембрана поляризуется, формируется разность электрических потенциалов по обе стороны клетки. Данную величину именуют трансмембранным потенциалом. Эта величина отображает электрическую активность клетки.
- Проницаемость мембраны для ионов натрия и калия непостоянна, и может изменяться. Соответственно изменяется поляризация мембраны в ту или иную сторону (деполяризация, реполяризация, гиперполяризация). Механизм изменения трансмембранного потенциала на различных участках клеточных мембран лежит в основе возникновения и проведения импульсов по нервным волокнам. Ведь нервные импульсы с физической точки зрения – не что иное, как слабые токи. И формируют эти токи калий с натрием.
- Калий является составной частью буферных систем. Это биохимические механизмы, работа которых направлена на поддержании кислотно-основного равновесия внутри клетки и во внеклеточном пространстве на постоянном уровне.
- Натрий поддерживает осмотическое или концентрационное давление, и увлекает за собой воду. Таким образом, благодаря деятельности натрий-калиевого насоса осуществляется циркуляция воды между клеткой и внеклеточным пространством. Вместе с водой наружу выводятся продукты жизнедеятельности клетки, а внутрь поступает все необходимое – глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, другие электролиты.
- Ионы калия входят в состав многих внутриклеточных ферментных систем. Эти системы обеспечивают синтез белков, гликогена, жирных кислот, и других биологически активных соединений.
Таким образом, благодаря натрий-калиевому насосу осуществляется клеточный метаболизм (обмен веществ), формируется электрическая активность клетки, и поддерживается на постоянном уровне состояние внутриклеточной среды (гомеостаз). Этот процесс непрерывен. А поскольку он осуществляется искусственно, против градиента, требуется энергия.
Каждый цикл с транспортом 2 ионов К и 3 ионов Na обеспечивается энергией, образуемой при распаде 1 молекулы АТФ. А в масштабах всего организма до трети расходуемой энергии идет на обеспечение этого процесса. Но эта энергия возобновляется при утилизации глюкозы в цикле Кребса, когда синтезируются новые молекулы АТФ. И здесь тоже не обходится без калия.
Как только натрий-калиевый механизм сбой, концентрация натрия и калия по обе стороны клеточной мембраны уравнивается. Исчезает трансмембранный потенциал, прекращаются внутриклеточные метаболические процессы. Внутри клетки вместе с натрием скапливается вода. Все это приводит к гибели клетки.
Все внутриклеточные эффекты калия позитивно отражаются на функции систем органов.
- Сердечно-сосудистая система
Калий называют сердечным элементом, и не зря. Он обеспечивает правильное распространение нервных импульсов по проводящей системе сердца, регулирует автоматизм, возбудимость и проводимость миокарда. Кроме того, он насыщает энергией клетки миокарда. Благодаря этому сердце сокращается с силой, достаточной для циркуляции крови по сосудам. Таким образом, К предотвращает сердечную недостаточность и нарушения сердечного ритма.
Кроме того, калий регулирует тонус кровеносных сосудов и нормализует артериальное давление (АД). Благодаря калию улучшается доставка крови к миокарду по коронарным (сердечным) сосудам. Тем самым К предупреждает ишемию (недостаточный приток крови) к миокарду и его гипоксию (дефицит кислорода).
- Нервная система
Благодаря трансмембранному транспорту калия генерируются импульсы в чувствительных, двигательных и вегетативных нервных волокнах. Кроме того, известно, что калий участвует в образовании ацетилхолина, нейромедиатора, обеспечивающего передачу импульсов через синапсы, контакты между телами нейронов и их отростками (аксонами).
Наряду с другими витаминами и минералами К формирует мыслительную и эмоционально-волевую сферу: улучшает память, интеллектуальные способности, устраняет негативные эмоции, нормализует сон. Кроме того, под действием калия улучшается циркуляция крови по церебральным (мозговым) сосудам, Этот макроэлемент снижает вероятность мозговой ишемии и инсульта.
- Опорно-двигательный аппарат
Благодаря калию и ацетилхолину осуществляется передача импульсов с нервных волокон на мышцы. Кроме того, калий стимулирует энергообразование в мышечной ткани, повышает мышечную силу и выносливость. А еще он укрепляет костную ткань и препятствует развитию остеопороза. Повышение прочности костей в значительной степени связано с тем, что калий способствует отложению в костной ткани другого макроэлемента, кальция.
- Пищеварительная система
Калий запускает перистальтику (волнообразные сокращения гладкой мускулатуры) ЖКТ. Кроме того, он регулирует выделение желудочного сока, сока 12-перстной кишки и поджелудочной железы, Также калий расслабляет сфинктеры (мышечные клапаны) желчного пузыря и желчевыводящий путей, и способствует отхождению желчи. А еще калий препятствует образованию камней в желчном пузыре и в желчевыводящих путях.
- Мочевыделительная система
Калий регулирует выделение почками натрия, а вместе с ним и воды. Тем самым он способствует повышению диуреза (объема выделенной мочи). Стимуляция диуреза, в свою очередь, приводит к устранению отеков и снижению АД. Кроме того, калий предупреждает камнеобразование в мочевыводящих путях.
Среди других эффектов калия – нормализация массы тела. Установлено, что этот макроэлемент способствует утилизации глюкозы, и предотвращает развитие сахарного диабета и ожирения. Кроме того, калий наряду с другими факторами укрепляет иммунитет, и тем самым повышает устойчивость организма к инфекционным заболеваниям.
Суточная потребность
Количество необходимого нам К зависит от возраста и от ряда других факторов. Поскольку калий является для нас жизненно важным макроэлементом, потребность в нем довольно велика.
Потребность в калии увеличивается при тяжелых физических нагрузках, занятиях спортом, заболеваниях ЖКТ с диареей и рвотой, сахарном диабете, других патологических состояниях.
Причины и признаки дефицита
В значительной степени к дефициту калия предрасполагает избыток натрия. Эти макроэлементы образно можно назвать родственниками-врагами. Оба они из семейства щелочных металлов, но оба конкурируют друг с другом за усваивание в организме. Чем больше усваивается натрия, или реабсорбируется его почками, тем больше калия выводится через почки. В то же время калий мало влияет на выделение натрия почками. В основе такого неравноправия лежат некоторые эволюционные предпосылки.
Наши далекие предки питались пищей, содержащей калий. И такой растительной пищи было довольно много. В то же время с поваренной солью прадавние люди были практически не знакомы. Примечательно, что до недавних пор аборигены, живущие в отдаленных от цивилизации уголках Африки, Латинской Америки, тоже не употребляли соль по простой причине ее отсутствия.
А ведь натрий для нас тоже важнейший макроэлемент. Вот организм и разработал комплексный регуляторный механизм, именуемый РААС, ренин-ангиотензин-альдостероновой системой. Эта система действует так, что натрий не выводится с мочой, а реабсорбируется в почечных канальцах. Вместе с натрием задерживается вода. Чем больше реабсорбируется натрия, тем больше теряется калия с мочой.
С развитием цивилизации многое изменилось. Поваренная соль основательно вошла в наш рацион. Мы больше не испытываем нехватки натрия, а зачастую получаем его в избыточном количестве. В то же время из-за дефицита натуральной растительной пищи калия мы получаем не так уж и много. Но РААС функционирует, как и прежде. И, как прежде, мы теряем калий и сохраняем натрий. В результате создаются условия для калиевого дефицита.
Правда, даже сейчас, несмотря на недостаток натуральной растительной пищи на нашем столе, мы получаем калий в более-менее достаточном количестве, способном покрыть физиологические нужды. Исключение составляет лишь голодание. Поэтому дефицит калия нередко формируется среди низших слоев общества, испытывающих крайнюю нужду. Еще одна причина – добровольное, т.н. «лечебное» голодание, когда осознанно исключают из рациона многие продукты, в т.ч. и богатые калием.
К дефициту калия предрасполагают физические и умственные нагрузки, психоэмоциональные стрессы. При умственных и стрессовых нагрузках активируется РААС, задерживается натрий и выводится калий. А при физическом труде большое количество калия теряется с потом. К тому же физические нагрузки тоже активируют РААС.
Нехватка калия может развиваться из-за его усиленной потери через ЖКТ и почки. При некоторых заболеваниях ЖКТ и отравлениях калий теряется с рвотой и поносом. Отравления и другие состояния, сопровождающиеся обезвоживанием, тоже приводят к потере калия. Усиленно выводится калий при некоторых неправильно проводимых медицинских мероприятиях. В качестве примеров можно привести многократные промывания желудка, очистительные клизмы.
Еще одна причина – прием лекарств. Некоторые мочегонные, например салуретики (Фуросемид) выводят с мочой натрий, а заодно и калий. После приема слабительных калий теряется через кишечник. Прием лекарств-глюкокоритикоидов, синтетических аналогов гормонов коры надпочечников, также способствует усиленному выведению К. То же самое происходит при болезни Иценко-Кушинга, сопровождающейся усиленной продукцией надпочечниками естественных глюкокортикоидов.
Аналогичное глюкокортикоидам действие оказывают другие гормоны: некоторые тропные гормоны гипофиза, тестостерон, адреналин. Поэтому не только болезнь Иценко-Кушинга, но и некоторые другие эндокринные заболевания, в частности, сахарный диабет, тиреотоксикоз, приводят к калиевому дефициту. Недостаток К часто возникает у беременных из-за изменения водно-солевого обмена и задержки натрия и воды в организме.
Еще одна распространенная причина – врожденные и приобретенные заболевания почек, сопровождающиеся нарушением их выделительной функции и усиленным выведением К с мочой. Повышение диуреза или полиурия автоматически приводит к усиленному выведению калия. Поэтому калиевый дефицит отмечается практически при всех состояниях, сопровождающихся полиурией. Прием алкоголя и кофе увеличивает диурез, и тоже сопровождается усилением выведения К через почки. А сладости ухудшают всасывание калия в кишечнике.
Недостаток калия характеризуется гипокалиемией, снижением его количества в плазме крови. Хотя калий является внутриклеточным элементом. Поэтому его уровень в плазме крови не всегда отображает истинное содержание в организме. При некоторых состояниях калий сосредоточивается внутри клеток. И тогда в плазме его мало. Однако при снижении общего количества калия в организме всегда будет отмечаться гипокалиемия.
Норма калия плазмы составляет 3,5-5 ммоль/л. Уже при показателях ниже 3,5 ммоль/л будет отмечаться общая слабость, снижение работоспособности, сонливость, депрессия. Тонус мышц снижен, часто беспокоят миалгии (мышечные боли). Уменьшается частота сердечных сокращений, пульс слабого наполнения, АД низкое. На ЭКГ появляются типичные изменения, характерные для гипокалиемии. На первых порах повышается диурез.
В дальнейшем, по мере усугубления гипокалиемии развиваются мышечные судороги, появляется дрожание конечностей. Полиурия сменяется олигоанурией – снижением, или даже полным отсутствием диуреза. Появляются отеки мягких тканей, учащается пульс, повышается АД. При хронической недостаточности калия снижается сократительная способность миокарда, который претерпевает дистрофические изменения с исходом в сердечную недостаточность. И это тоже способствует формированию отеков.
Кроме того, повышается риск сахарного диабета. Замедляется перистальтика кишечника. Расстройства пищеварения сопровождаются метеоризмом и неустойчивым стулом. В особо тяжелых случаях возможно полное прекращение перистальтики (парез кишечника) с развитием паралитической кишечной непроходимости. При дальнейшем прогрессирования патологии развиваются параличи скелетных мышц.
На коже и на слизистых оболочках появляются эрозивные и язвенные дефекты. Нарушается ритм сердца. Причем сердечные аритмии принимают угрожающий жизни характер, и могут закончиться фатально. Смерть наступает от внезапной остановки сердца. Характерная черта: сердечная деятельность прекращается в фазу систолы, сокращения. Особенно велика опасность аритмий у пациентов, принимающих сердечные гликозиды для лечения сердечной недостаточности. Эти препараты снижают количество калия в клетках миокарда.
В редких случаях дефицит калия связан с другим веществом, цезием (Cs). Это тоже щелочной металл. Поэтому цезий конкурирует с калием за всасывание и поступление в организм. Правда, самого цезия в природе не так уж и много. Опасность представляет его радиоактивный изотоп Cs 137 .
Он образуется во время ядерных испытаний и сжигания топлива в реакторах АЭС. Поступая во внешнюю среду, этот цезиевый изотоп накапливается растениями вместо калия. Вместе с растительными продуктами он поступает в организм человека. Даже в микродозах радиоактивный цезий угнетает физиологические эффекты калия. При этом развиваются тяжелые поражения скелетных мышц, миокарда, ЖКТ и нервной системы.
Источники поступления
Калий поступает к нам преимущественно в составе растительной пищи, и в меньшей степени с животной пищей, в основном с рыбой и морепродуктами.
Содержание калия в 100 г пищевых продуктов:
| Продукт | Содержание, мг/100 г |
| Курага | 1715 |
| Абрикос | 306 |
| Персик | 203 |
| Цитрусовые | 180-197 |
| Банан | 379 |
| Чернослив | 867 |
| Зеленый горошек | 870 |
| Соя | 1607 |
| Фасоль | 307 |
| Миндаль | 750 |
| Изюм | 860 |
| Салат, петрушка | 340 |
| Фундук | 717 |
| Арахис | 660 |
| Свекла | 258 |
| Картофель | 568 |
| Пекинская капуста | 494 |
| Морская капуста | 970 |
| Брюссельская капуста | 494 |
| Цветная капуста | 176 |
| Лосось | 490 |
| Мидии | 310 |
| Треска | 340 |
| Тунец | 298 |
| Говядина | 325 |
| Кабачок | 176 |
| Баклажаны | 238 |
| Морковь | 195 |
| Томаты | 213 |
| Огурцы | 153 |
| Арбуз | 117 |
| Дыня | 118 |
Калий хорошо сохраняется в продуктах при их длительном хранении. Вместе с тем, при контакте пищи с водой он быстро переходит в нее. Поэтому желательно получать калий из сырых продуктов, а при их термической обработке нужно руководствоваться некоторыми правилами. При варке их следует опускать в уже кипящую воду, и варить в течение короткого времени в небольшом объеме воды. Рыбу и мясо желательно запекать.
Синтетические аналоги
Калий присутствует во многих лекарственных формах для инъекционного введения и приема внутрь. Самые известные калийсодержащие препараты – Панангин и Аспаркам. Это комбинированные средства, которые содержат калия и магния аспарагинат. Содержание калия аспарагината в Аспаркаме – 175 мг, а в Панангине – 145 мг.
Таблетки Панангина и Аспаркама содержат по 10,33 мг калия аспарагината. Еще один источник калия – 0,75% и 4% раствор калия хлорида (KCl). Калий для приема внутрь в основном представлен комплексными препаратами. Наряду с калием эти препараты (Центрус, Виталюкс, Витрум) содержат другие витамины и минералы.
Другое комбинированное средство – Калия оротат, калиевая соль Оротовой кислоты или вит. В 13 . Препараты калия показаны при многих водно-электролитных нарушениях, сопровождающихся гипокалиемией. Само собой разумеется, инъекционное введение более предпочтительно, чем прием внутрь. К тому же инъекционные средства удобнее использовать в кардиологической практике при инфаркте миокарда, аритмиях, т.к. они помогают добиться желаемого результата в кратчайшие сроки, здесь и сейчас.
Но при введении калийсодержащих растворов нужно быть крайне осторожным. Они раздражают венозные стенки, и вызывают ее воспаление, флебиты. Но самое страшное даже не в этом. Быстрый подъем уровня калия в плазме крови чреват опасными осложнениями вплоть до остановки сердца. Поэтому калийсодержащие средства вводят не струйно, а капельно в составе поляризующей смеси с 5% раствором глюкозы и инсулином. Благодаря инсулину сахар, а вместе с ним и калий, проникает из плазмы крови в клетки тканей.
Метаболизм
Поступивший извне калий всасывается в тонком кишечнике. Всасываемость довольно большая – 95%, . Остальные 5% выводятся с калом. Но это соотношение может изменяться при заболеваниях ЖКТ, сопровождающихся ухудшением всасывательной способности кишечника и диареей.
Поскольку калий является внутриклеточным макроэлементом, его содержание в плазме всего 1%. Некоторая часть калия сосредоточена в лимфе, в кишечном секрете, и в других внеклеточных средах. Но и здесь его количество невелико. Основная часть, около ном с 90%, калия находится внутри клеток. Больше всего внутриклеточного калия содержится в тканях с максимальной функциональной нагрузкой. Это мозг, миокард, кости и скелетные мышцы.
Некоторые факторы влияют на соотношение внутриклеточного и внеклеточного калия. Прежде всего, это кислотно-основное состояние. Сдвиг обменных процессов в сторону повышения кислотности и снижения рН (метаболический ацидоз) сопровождается массивным выходом калия из клеток. При сдвиге обмена веществ в щелочную сторону (метаболический алкалоз, увеличение рН) наоборот, калий направляется внутрь клеток, и его концентрация в плазме крови снижается.
Инсулин активирует натрий-калиевую АТФ-азу, в результате чего калий «прячется» внутрь клеток. При физических нагрузках наоборот, происходит выход калия во внеклеточное пространство. Повышение количества калия в плазме крови увеличивает ее концентрацию или осмолярность. Некоторые состояния сопровождаются обезвоживанием или дегидратацией ткани. При этом вода из клеток переходит во внеклеточное пространство. А вместе с водой перемещается и калий. Стимуляция альфа-адренергических рецепторов сопровождается выходом калия из клеток, а бета-адренергических – его внутриклеточным перемещением.
В свою очередь, калий в немалой степени влияет на кислотно-основное состояние тканей. Правда, механизм влияния довольно сложный, и включает в себя множество факторов. Суть его заключается в том, что при снижении уровня калия усиливается выделение ионов водорода с мочой.
В результате кислотность мочи повышается, а в тканях наоборот, формируется метаболический алкалоз. При избытке калия картина зеркальная – замедляется выделение водорода, ощелачивается моча, и развивается метаболический ацидоз. Всего через почки с мочой выделяется 90% калия, а остальные 10% – через кожу с потом.
Взаимодействие с другими веществами и препаратами
Калий способствует усваиванию магния, но в некоторой степени выводит натрий. В свою очередь, натрий усиливает выведение калия почками. Поэтому прием поваренной соли способствует потере калия. Учитывая антагонизм этих макроэлементов, соотношение K:Na в комбинированных препаратах должно составлять 2:1 в сторону увеличения калия. Некоторые другие элементы, в частности, таллий, цезий, рубидий, способны вытеснять К.
Калий хорошо сочетается со многими витаминами, в т.ч. с вит. В 6 (Пиридоксином) и вит. В 13 , (Оротовой кислотой). Инсулин способствует транспорту К внутрь клетки. Сердечные гликозиды наоборот, снижают содержание К в волокнах миокарда, т.к. угнетают натрий-калиевую АТФ-азу. насос. Алкоголь, сладости, кофе ухудшают всасывание калия или усиливают его выведение с мочой.
Признаки избытка
Для избытка калия в организме необходимы два условия: поступление его извне в больших количествах, или замедление выведения из организма. Калий поступает к нам в составе пищевых продуктов и лекарств. Правда, богатая калием еда сама по себе вряд ли сможет привести к его избытку. Ведь К сразу же выводится с мочой.
А вот передозировка калийсодержащих препаратов, при которой в единицу времени поступает большое количество этого макроэлемента, может закончиться плачевно, и даже фатально. При заболеваниях, сопровождающихся нарушением выделительной функции почек, при почечной недостаточности, замедляется выделение калия, и он накапливается в организме.
Кроме того, выделение калия регулируется альдостероном. Этот надпочечниковый гормон задерживает натрий, и усиливает выведение натрия. Поэтому при сниженной продукции альдостерона надпочечниками (гипоальдостеронизме) наоборот, калий будет накапливаться, а натрий выводиться почками. Причины этого состояния: некоторые заболевания надпочечников, гипофиза.
Гипоальдостеронизм может быть следствием приема ряда лекарств. На угнетении синтеза альдостерона основано действие ИАПФ, ингибиторов ангиотензинпревращающего фермента, используемых в лечении гипертонической болезни. Гепарин также снижает продукцию альдостерона. Антагонистом альдостерона является мочегонный препарат Спиронолактон.
Избыток калия в организме проявляется повышением количества калия в плазме крови, гиперкалиемией. Норма содержания калия в крови – 3,5-5 ммоль/л. Правда, этот показатель не всегда отображает истинное содержание К в организме. Ведь это внутриклеточный элемент. Поэтому все состояния, сопровождающиеся перераспределением К из клеток во внеклеточное пространство, будут сопровождаться гиперкалиемией. Однако при этом общее количество калия в организме будет неизменным.
Гиперкалиемия будет развиваться при всех состояниях, сопровождающихся цитолизом, массивным повреждением клеток. Это травмы, ожоги, оперативные вмешательства, онкозаболевания и лучевая терапия этих заболеваний. Повышение уровня К в плазме крови будет отмечаться при инфарктах, мозговых инсультах, при гепатитах, а также при гемолизе, разрушении большого количества эритроцитов.
Перераспределение калия возможно при физических нагрузках, при некоторых интоксикациях, в т.ч. и при алкогольной. Бета-адреноблокаторы для лечения гипертонической болезни вызывают такой же эффект. Гиперкалиемия возникает при всех состояния, сопровождающихся метаболическим ацидозом.
Гиперкалиемия проявляется общей слабостью, беспокойством, тревогой, повышенной возбудимостью. Отмечаются тянущие боли в мышцах, парестезии. Аппетит снижен, пациенты жалуются на спастические боли в животе, диарею. Сахар крови зачастую повышен. Дирурез тоже повышен. Среди других признаков – интенсивное потоотделение, дрожание конечностей. Из-за изменения биоэлектрической активности сердца нарушается сердечный ритм.
Развивается атриовентрикулярная блокада, фибрилляция желудочков и желудочковая тахикардия. Все эти симптомы появляются при уровне К выше верхней границы 5 ммоль/л. Дальнейшее прогрессирование гиперкалиемии свыше 7 ммоль/л приводит к угнетению сознания, мышечным судорогам и параличам. Смерть наступает гот остановки сердца. Характерная особенность: сердце при гиперкалиемии останавливается в фазу диастолы, расслабления.
При гиперкалиемии отменяют все препараты, содержащие калий или способствующие его переходу во внеклеточное пространство. Показаны внутривенные инъекции кальция хлорида и глюконата. Но кальций оправдан далеко не во всех случаях. Отличное средство при гиперкалиемии – внутривенные капельные вливания инсулина с глюкозой, способствующие переходу калия внутрь клетки. Для борьбы с метаболическим ацидозом назначают ощелачивающие растворы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Калий - девятнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - K от латинского «kalium». Расположен в четвертом периоде, IА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 19.
Калий не встречается в природе в свободном состоянии. Наиболее важными минералами калия являются: сильвин KCl, сильвинит NaCl×KCl, карналлит KCl×MgCl 2 ×6H 2 O, каинит KCl×MgSO 4 ×3H 2 O.
В виде простого вещества калий представляет собой блестящий серебристо-серый металл (рис. 1) с объемно-центрированной кристаллической решеткой. Исключительно реакционноспособный металл: на воздухе быстро окисляется, образуя рыхлые продукты взаимодействия.
Рис. 1. Калий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса калия
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии калий существует в виде одноатомных молекул K, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 39,0983.
Изотопы калия
Известно, что в природе калий может находиться в виде двух стабильных изотопов 39 Kи 41 K. Их массовые числа равны 39 и 41 соответственно. Ядро атома изотопа калия 39 K содержит девятнадцать протонов и двадцать нейтронов, а изотопа 41 K - такое же количество протонов идвадцать два нейтрона.
Существуют искусственные изотопы калия с массовыми числами от 32-х до 55-ти, среди которых наиболее стабильным является 40 K с периодом полураспада равным 1,248×10 9 лет.
Ионы калия
На внешнем энергетическом уровне атома калия имеется один электрон, который является валентным:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 .
В результате химического взаимодействия калий отдает свой единственный валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:
К 0 -1e → Л + .
Молекула и атом калия
В свободном состоянии калий существует в виде одноатомных молекул Л. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу калия:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Вычислите массу гидроксида калия, который требуется для приготовления раствора щелочи объемом 20 мл (массовая доля KOH 20%, плотность 1,22 г/мл). |
| Решение | Найдем массу раствора гидроксида калия:
Калий КА́ЛИЙ -я; м. [араб. kali] Химический элемент (K), металл серебристо-белого цвета, добываемый из углекалиевой соли (поташа). ◁ Ка́лиевый, -ая, -ое. К-ые месторождения. К-ые соли. Кали́йный, -ая, -ое. К-ая промышленность. К-ые удобрения. ка́лий(лат. Kalium), химический элемент I группы периодической системы, относится к щелочным металлам. Название от арабского аль-кали - поташ (давно известное соединение калия, добываемое из древесной золы). Серебристо-белый металл, мягкий, легкоплавкий; плотность 0,8629 г/см 3 , t пл 63,51ºC. Быстро окисляется на воздухе, с водой реагирует со взрывом. По распространённости в земной коре занимает 7-е место (минералы: сильвин, каинит, карналлит и др.; см. Калийные соли). Входит в состав тканей растительных и животных организмов. Около 90% добываемых солей используется как удобрения. Металлический калий используют в химических источниках тока, как геттер в электронных лампах, для получения суперпероксида KO 2 ; сплавы K с Na - теплоносители в ядерных реакторах. КАЛИЙКА́ЛИЙ (лат. Kalium), K (читается «калий»), химический элемент с атомным номером 19, атомная масса 39,0983.
Энциклопедический словарь . 2009 . Синонимы :Смотреть что такое "калий" в других словарях:Калий 40 … Википедия Новолатинск. kalium, от араб. kali, щелочь. Мягкий и легкий металл, составляющий основание кали. Открыт Деви в 1807 году. Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней. Михельсон А.Д., 1865.… … Словарь иностранных слов русского языка - (Kalium), K, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 19, атомная масса 39,0983; относится к щелочным металлам; tпл 63,51шC. В живых организмах калий основной внутриклеточный катион, участвует в генерации биоэлектрических… … Современная энциклопедия КАЛИЙ - (Kalium, s. Potassium), хим. элемент, симв. К, порядковый номер 19, серебристо белый, блестящий металл, имеющий при обыкновенной ta плотность воска; открыт Деви в 1807 г. Уд. в. при 20° 0,8621, атомный вес 39,1, одновалентен; t° плавления … Большая медицинская энциклопедия Калий - элементарное вещество, металл, настолько активный, что не встречается в природе в виде самородков. Калий входит в состав минералов и морской воды, в организмы растений и животных, по распространенности занимает 7-е место. Имеет огромное биогенное значение, так как необходим для жизнедеятельности живых клеток. Физические и химические свойства калияКалий - мягкое вещество (можно разрезать ножом), серебристого цвета, легкое (легче воды), легкоплавкое. Горит розово-фиолетовым пламенем. Щелочной металл, активно реагирует с кислородом, водой, галогенами, разбавленными кислотами, реакции часто сопровождаются взрывом. С азотом в реакцию не вступает. Реагирует со щелочами, спиртами. Работа с чистым калием требует применения средств защиты , поскольку попадание даже мельчайших частиц на кожу или в глаза вызывает серьезные ожоги. Хранить калий следует в герметических железных сосудах под слоем веществ, препятствующих контакту с воздухом: минерального масла, силикона, обезвоженного керосина. Применение калия и его соединенийВ виде чистого металла вещество применяется в ограниченной сфере областей:
Йодистый калий, калиевая селитра , углекислый калий - лишь малая часть соединений с калием, которые предлагает наш магазин химических реактивов. В Москве и Московской области покупать товары для лабораторий и производства в «ПраймКемикалсГрупп» удобно и выгодно. У нас отличный сервис, есть доставка и возможность самовывоза. |
Гораздо более востребованы различные соединения калия.