Potássio: história, estrutura, propriedades, reações, usos - Ciência - 2023

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o potássio é um metal alcalino cujo símbolo químico é K. Seu número atômico é 19 e está localizado abaixo do sódio na tabela periódica. É um metal macio que pode até ser cortado com uma faca. Além disso, é bastante leve e pode flutuar na água líquida enquanto reage vigorosamente.

Recém-cortado, apresenta uma cor branco prateada muito brilhante, mas quando exposto ao ar oxida rapidamente e perde o brilho, tornando-se acinzentado (quase azulado, como o da imagem abaixo).

O potássio reage explosivamente com a água para formar hidróxido de potássio e gás hidrogênio. É exatamente esse gás o responsável pela explosão da reação. Quando ele queima no isqueiro, seus átomos excitados tingem a chama de uma cor lilás intensa; este é um de seus testes qualitativos.

É o sétimo metal mais abundante na crosta terrestre e representa 2,6% de seu peso. É encontrada principalmente em rochas ígneas, folhelhos e sedimentos, além de minerais como a silvita (KCl). Ao contrário do sódio, sua concentração na água do mar é baixa (0,39 g / L).

O potássio foi isolado em 1807 pelo químico inglês Sir Humphrey Davy, por eletrólise de uma solução de seu hidróxido, o KOH. Este metal foi o primeiro a ser isolado por eletrólise e Davy deu-lhe o nome em inglês de potássio.

Na Alemanha, entretanto, o nome kalium foi usado para se referir ao metal. Exatamente desse sobrenome vem a letra 'K', usada como símbolo químico do potássio.

O metal em si tem pouco uso industrial, mas dá origem a muitos compostos úteis. Biologicamente, porém, é muito mais importante, já que é um dos elementos essenciais para o nosso corpo.

Nas plantas, por exemplo, favorece a fotossíntese, o processo de osmose. Também promove a síntese de proteínas, favorecendo o crescimento das plantas.

História

Potassa

Desde a antiguidade, o homem usa o potássio como fertilizante, ignorando a existência do potássio, muito menos sua relação com o potássio. Este era preparado a partir das cinzas dos troncos e das folhas das árvores, às quais se juntava água, que posteriormente evaporava.

Os vegetais contêm principalmente potássio, sódio e cálcio. Mas os compostos de cálcio são pouco solúveis em água. Por esse motivo, o potássio era um concentrado de compostos de potássio. A palavra é derivada da contração das palavras inglesas 'pot' e 'ash'.

Em 1702, G. Ernst Stahl sugeriu uma diferença entre os sais de sódio e potássio; Esta sugestão foi verificada por Henry Duhamel du Monceau em 1736. Como a composição exata dos sais não era conhecida, Antoine Lavoiser (1789) decidiu não incluir álcalis na lista de elementos químicos.

Descoberta

Em 1797, o químico alemão Martin Klaproth descobriu o potássio nos minerais leucita e lepidolita, então concluiu que não era apenas um produto de plantas.

Em 1806, o químico inglês Sir Humphrey Davy descobriu que a ligação entre os elementos de um composto era de natureza elétrica.

Davy então isolou o potássio por eletrólise de hidróxido de potássio, observando glóbulos com brilho metálico que se acumularam no ânodo. Ele nomeou o metal com a etimologia inglesa de potássio.

Em 1809, Ludwig Wilhelm Gilbert propôs o nome de kalium (kalium) para o potássio de Davy. Berzelius evocou o nome kalium para atribuir ao potássio o símbolo químico "K".

Finalmente, Justus Liebig em 1840 descobriu que o potássio era um elemento necessário para as plantas.

Estrutura e configuração eletrônica do potássio

O potássio metálico cristaliza em condições normais na estrutura cúbica centrada no corpo (bcc). Este é caracterizado por ser fino, o que está de acordo com as propriedades do potássio. Um átomo de K é cercado por oito vizinhos, bem no centro de um cubo e com os outros átomos de K localizados nos vértices.

Esta fase bcc também é designada como fase K-I (a primeira). Quando a pressão aumenta, a estrutura cristalina se compacta para a fase cúbica centrada na face (fcc). No entanto, uma pressão de 11 GPa é necessária para que essa transição ocorra espontaneamente.

Essa fase fcc mais densa é conhecida como K-II. Em pressões mais altas (80 GPa) e em temperaturas mais baixas (menos de -120 ºC), o potássio adquire uma terceira fase: K-III. K-III é caracterizado por sua capacidade de acomodar outros átomos ou moléculas dentro de suas cavidades cristalinas.

Existem também duas outras fases cristalinas em pressões ainda mais altas: K-IV (54 GPa) e K-V (90 GPa). Em temperaturas muito baixas, o potássio até exibe uma fase amorfa (com átomos de K desordenados).

Número de oxidação

A configuração eletrônica do potássio é:

[Ar] 4s¹

O orbital 4s é o mais externo e, portanto, possui o único elétron de valência. Em teoria, isso é responsável pela ligação metálica que mantém os átomos de K juntos para definir um cristal.

A partir da mesma configuração de elétrons, é fácil entender por que o potássio sempre (ou quase sempre) tem um número de oxidação +1. Quando você perde um elétron para formar o cátion K⁺, torna-se isoeletrônico ao gás nobre argônio, com seu octeto de valência completo.

Na maioria de seus compostos derivados, o potássio é assumido como sendo K⁺ (mesmo que suas ligações não sejam puramente iônicas).

Por outro lado, embora menos provável, o potássio pode ganhar um elétron, tendo dois elétrons em seu orbital 4s. Assim, o cálcio metal torna-se isoeletrônico:

[Ar] 4s²

Diz-se então que ganhou um elétron e tem um número de oxidação negativo, -1. Quando este número de oxidação é calculado em um composto, a existência do ânion potasídeo, K, é assumida^–.

Propriedades

Aparência

Metal prateado branco brilhante.

Massa molar

39,0983 g / mol.

Ponto de fusão

83,5 ° C

Ponto de ebulição

759 ° C

Densidade

-0,862 g / cm³, à temperatura ambiente.

-0,828 g / cm³, no ponto de fusão (líquido).

Solubilidade

Reage violentamente com a água. Solúvel em amônia líquida, etilenodiamina e anilina. Solúvel em outros metais alcalinos para formar ligas e em mercúrio.

Densidade do vapor

1.4 em relação ao ar considerado como 1.

Pressão de vapor

8 mmHg a 432 ° C

Estabilidade

Estável se estiver protegido do ar e da umidade.

Corrosividade

Pode ser corrosivo em contato com metais. Em contato, pode causar queimaduras na pele e nos olhos.

Tensão superficial

86 dinas / cm a 100 ° C.

Calor de fusão

2,33 kJ / mol.

Calor da vaporização

76,9 kJ / mol.

Capacidade de calor molar

29,6 J / (mol · K).

Eletro-negatividade

0,82 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro nível de ionização: 418,8 kJ / mol.

Segundo nível de ionização: 3,052 kJ / mol.

Terceiro nível de ionização: 4.420 kJ / mol.

Rádio atômico

227 pm.

Raio covalente

203 ± 12h.

Expansão térmica

83,3 µm / (m · K) a 25 ° C

Condutividade térmica

102,5 W / (mK).

Resistividade elétrica

72 nΩ · m (a 25 ° C).

Dureza

0,4 na escala de Mohs.

Isótopos naturais

O potássio ocorre como três isótopos principais: ³⁹K (93,258%),⁴¹K (6,73%) e ⁴⁰K (0,012%, emissora β radioativa)

Nomenclatura

Os compostos de potássio têm o número de oxidação +1 por padrão (com exceções muito especiais). Portanto, na nomenclatura de estoque o (I) no final dos nomes é omitido; e na nomenclatura tradicional, os nomes terminam com o sufixo -ico.

Por exemplo, KCl é cloreto de potássio, não cloreto de potássio (I). Seu nome tradicional é cloreto de potássio ou monocloreto de potássio, de acordo com a nomenclatura sistemática.

De resto, a menos que sejam nomes ou minerais muito comuns (como silvin), a nomenclatura em torno do potássio é bastante simples.

Formas

O potássio não é encontrado na natureza na forma metálica, mas pode ser obtido industrialmente nesta forma para certos usos. É encontrada principalmente em seres vivos, sob a forma iônica (K⁺) Em geral, é o principal cátion intracelular.

O potássio está presente em vários compostos, como hidróxido de potássio, acetato ou cloreto, etc. Também faz parte de cerca de 600 minerais, incluindo silvita, alunita, carnalita, etc.

O potássio forma ligas com outros elementos alcalinos, como sódio, césio e rubídio. Também forma ligas ternárias com sódio e césio, por meio das chamadas fusões eutéticas.

Papel biológico

Plantas

O potássio constitui, junto com o nitrogênio e o fósforo, os três principais nutrientes das plantas. O potássio é absorvido pelas raízes na forma iônica: processo favorecido pela existência de condições adequadas de umidade, temperatura e oxigenação.

Regula a abertura e o fechamento dos estômatos foliares: atividade que permite a captação de dióxido de carbono, que se combina com a água durante a fotossíntese para formar glicose e oxigênio; São os agentes geradores de ATP que constituem a principal fonte de energia dos seres vivos.

Facilita a síntese de algumas enzimas relacionadas ao crescimento das plantas, além do amido, substância de reserva energética. Também intervém na osmose: processo necessário para a absorção radicular de água e minerais; e na ascensão da água pelo xilema.

A clorose é uma manifestação de deficiência de potássio nas plantas. É caracterizada pelas folhas perderem o verdor e amarelarem, com bordas queimadas; e, por fim, ocorre uma desfolha, com retardo no crescimento das plantas.

Animais

Em animais, em geral, o potássio é o principal cátion intracelular com concentração de 140 mmol / L; enquanto a concentração extracelular varia entre 3,8 e 5,0 mmol / L. 98% do potássio do corpo está confinado no compartimento intracelular.

Embora a ingestão de potássio possa variar entre 40 e 200 mmol / dia, sua concentração extracelular é mantida constante pela regulação da excreção renal. O hormônio aldosterona, que regula a secreção de potássio no nível dos túbulos coletores e distais, está envolvido nisso.

O potássio é o responsável central pela manutenção da osmolaridade intracelular e, portanto, é responsável pela manutenção da integridade celular.

Embora a membrana plasmática seja relativamente permeável ao potássio, sua concentração intracelular é mantida pela atividade da enzima Na, ATPase (bomba de sódio e potássio) que remove três átomos de sódio e introduz dois átomos de potássio.

Repolarização celular

Células excitáveis, compostas por neurônios e células de músculo estriado e liso; e as células musculares estriadas, compostas por células musculares esqueléticas e cardíacas, são todas capazes de formar potenciais de ação.

O interior das células excitáveis é carregado negativamente em relação ao exterior da célula, mas quando adequadamente estimulado, a permeabilidade da membrana plasmática das células ao sódio aumenta. Este cátion penetra através da membrana plasmática e torna positivo o interior da célula.

O fenômeno ocorrido é denominado potencial de ação, que possui um conjunto de propriedades, entre elas, é capaz de se propagar por todo o neurônio. Um comando emitido pelo cérebro viaja como potenciais de ação para um determinado músculo para fazer com que ele se contraia.

Para que um novo potencial de ação ocorra, o interior da célula deve ter uma carga negativa. Para isso, há uma saída de potássio do interior da célula, devolvendo-o à sua negatividade original. Este processo é denominado repolarização, sendo a principal função do potássio.

Portanto, a formação de potenciais de ação e o início da contração muscular é considerada uma responsabilidade compartilhada do sódio e do potássio.

Outras funções

O potássio tem outras funções em humanos, como tônus vascular, controle da pressão arterial sistêmica e motilidade gastrointestinal.

Um aumento na concentração plasmática de potássio (hipercalemia) produz uma série de sintomas como ansiedade, náusea, vômito, dor abdominal e irregularidades no eletrocardiograma. A onda T relacionada à repolarização ventricular é alta e ampla.

Esse registro é explicado porque à medida que a concentração extracelular de potássio aumenta, ele deixa o exterior da célula mais lentamente, de modo que a repolarização ventricular é mais lenta.

A diminuição da concentração plasmática de potássio (hipocalcemia) apresenta, entre outros, os seguintes sintomas: fraqueza muscular, diminuição da motilidade intestinal, diminuição da filtração glomerular, arritmia cardíaca e achatamento da onda T do eletrocardiograma.

A onda T é encurtada, pois ao diminuir a concentração extracelular de potássio, sua saída para o exterior da célula é facilitada e a duração da repolarização diminui.

Onde o potássio é encontrado e produção

O potássio é encontrado principalmente em rochas ígneas, folhelhos e sedimentos. Além disso, em minerais como muscovita e ortoclásio, que são insolúveis em água. Ortoclásio é um mineral que geralmente ocorre em rochas ígneas e granito.

O potássio também está presente em compostos minerais solúveis em água, como a carnalita (KMgCl₃6h₂O), silvita (KCl) e landbeinita [K₂Mg₂(SW₄)₃], que se encontram em leitos de lagos secos e no fundo do mar.

Além disso, o potássio é encontrado em salmouras e como produto da incineração de troncos e folhas de plantas em um processo utilizado para a produção de potássio. Embora sua concentração na água do mar seja baixa (0,39 g / L), também é utilizado para a obtenção de potássio.

O potássio está presente em grandes depósitos, como o de Saskatchewan, no Canadá, rico em silvita mineral (KCl) e capaz de produzir 25% do consumo mundial de potássio. Os resíduos líquidos salinos podem conter uma quantidade significativa de potássio, na forma de KCl.

Eletrólise

O potássio é produzido por dois métodos: eletrólise e térmico. Na eletrólise, o método usado por Davy para isolar o potássio foi seguido sem grandes modificações.

No entanto, este método do ponto de vista industrial não tem sido eficiente, uma vez que o alto ponto de fusão dos compostos de potássio fundidos deve ser reduzido.

O método de eletrólise do hidróxido de potássio foi usado industrialmente na década de 1920. O método térmico, entretanto, o suplantou e se tornou o método dominante para a produção desse metal a partir da década de 1950.

Método térmico

No método térmico, o potássio é produzido pela redução do cloreto de potássio fundido a 870 ºC. Este é alimentado continuamente a uma coluna de destilação cheia com o sal. Enquanto isso, o vapor de sódio passa pela coluna para produzir a redução do cloreto de potássio.

O potássio é o componente mais volátil da reação e se acumula no topo da coluna de destilação, onde é coletado continuamente. A produção de potássio metálico pelo método térmico pode ser delineada na seguinte equação química:

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

O processo Griesheimer, que utiliza a reação de fluoreto de potássio com carboneto de cálcio, também é utilizado na produção de potássio:

2 KF + CaC₂ => 2 K + CaF₂ + 2 C

Reações

Inorgânico

O potássio é um elemento altamente reativo que reage rapidamente com o oxigênio para formar três óxidos: óxido (K₂O), peróxido (K₂OU₂) e superóxido (KO₂) potássio.

O potássio é um elemento fortemente redutor, razão pela qual se oxida mais rápido do que a maioria dos metais. É usado para reduzir os sais metálicos, substituindo o potássio pelo metal do sal. Este método permite a obtenção de metais puros:

MgCl₂ + 2 K => Mg + 2 KCl

O potássio reage fortemente com a água para formar hidróxido de potássio e liberar gás hidrogênio explosivo (imagem abaixo):

O hidróxido de potássio pode reagir com o dióxido de carbono para produzir carbonato de potássio.

O potássio reage com o monóxido de carbono a uma temperatura de 60 ° C para produzir um carbonil explosivo (K₆C₆OU₆) Também reage com o hidrogênio a 350ºC, formando um hidreto. Também é altamente reativo com halogênios e explode em contato com o bromo líquido.

Explosões também ocorrem quando o potássio reage com ácidos halogenados, como o ácido clorídrico, e a mistura é atingida ou agitada fortemente. O potássio fundido reage posteriormente com o enxofre e o sulfeto de hidrogênio.

Orgânico

Reage com compostos orgânicos que contêm grupos ativos, mas é inerte aos hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos. O potássio reage lentamente com o amônio para formar potasomina (KNH₂).

Ao contrário do sódio, o potássio reage com o carbono na forma de grafite para formar uma série de compostos interlaminares. Estes compostos têm razões atômicas de carbono-potássio: 8, 16, 24, 36, 48, 60 ou 1; ou seja, KC₆₀, por exemplo.

Formulários

Potássio metálico

Não há muita demanda industrial de potássio metálico. A maior parte se transforma em superóxido de potássio, usado em respiradores, pois libera oxigênio e remove dióxido de carbono e vapor d'água.

A liga NaK tem alta capacidade de absorção de calor, razão pela qual é usada como refrigerante em alguns reatores nucleares.Da mesma forma, o metal vaporizado tem sido usado em turbinas.

Compostos

Cloreto

O KCl é usado na agricultura como fertilizante. Também é utilizado como matéria-prima para a produção de outros compostos de potássio, como o hidróxido de potássio.

Hidróxido

Também conhecido como potássio cáustico, KOH, é utilizado na fabricação de sabões e detergentes.

Sua reação com o iodo produz iodeto de potássio. Este sal é adicionado ao sal de cozinha (NaCl) e à ração para proteger contra a deficiência de iodo. O hidróxido de potássio é usado na fabricação de baterias alcalinas.

Nitrato

Também conhecido como salitre, KNO₃, é usado como fertilizante. Além disso, é utilizado na elaboração de fogos de artifício; como conservante de alimentos e em vidro de endurecimento.

Cromato

É usado na produção de fertilizantes e na produção de alúmen de potássio.

Carbonato

É utilizado na fabricação de vidros, principalmente aqueles utilizados na fabricação de televisores.

Referências

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