Оксид калия

Оксид калия
Общие
Традиционные названия	Окись калия
Химическая формула	K2O
Физические свойства
Состояние	твёрдое
Молярная масса	94,20 г/моль
Плотность	2,32 г/см³
Термические свойства
Т. плав.	740 °C
Т. кип.	разлагается при нагревании °C
Т. разл.	>740
Т. всп.	не воспламеняется °C
Мол. теплоёмк.	83,6 Дж/(моль·К)
Энтальпия образования	-362,3 кДж/моль
Химические свойства
Растворимость в воде	реагирует с водой
Оптические свойства
Диапазон прозрачности	не прозрачен нм
Структура
Координационная геометрия	ионы K⁺ в тетраэдрических пустотах
Кристаллическая структура	антифлюоритовый тип (кубическая сингония)
Классификация
Рег. номер CAS	12136-45-7
Рег. номер EINECS	235-227-6
SMILES	[O-2].[K+].[K+]
RTECS	TT5775000
Безопасность
NFPA 704	0 3 {{{реакционоспособность}}} W
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Окси́д ка́лия (окись калия) — бинарное неорганическое соединение, состоящее из ионов калия (1+) и кислорода (2-). Это твёрдое кристаллическое вещество бледно-жёлтого цвета, которое при температуре ниже 372 °С имеет кубическую структуру, а при более высоких температурах переходит в гексагональную форму. Кристаллическая решётка ионного типа.

Температура плавления 740 °С. Плотность 2,32 г/см³. Важной особенностью этого соединения является его хорошая растворимость в воде, что приводит к образованию щёлочи — гидроксида калия (КОН). Химические свойства оксида калия характеризуются выраженным основным характером.

Это вещество находит применение в различных областях промышленности, таких как производство щёлочей, стекла и керамики. Оксид калия также используется как компонент для осушки газов и в лабораторной практике.

При работе с оксидом калия необходимо соблюдать меры предосторожности, так как это вещество обладает коррозионным действием и токсично при попадании внутрь организма.

История открытия

История изучения оксида калия тесно связана с развитием химии и открытием самого этого элемента. Первые упоминания о поташе, представляющем собой соединение калия, можно найти в древних рукописях. Поташ использовался в производстве стекла и мыла, хотя его химическая природа оставалась неизвестной.

В 1807 году английский химик Гемфри Дэви получил металлический калий путём электролиза гидроксида калия. Это открытие позволило лучше понять природу соединений калия. В 1808 году французские химики Гей-Люссак и Тенар разработали метод получения калия путём прокаливания гидроксида калия с углём.

В 1809 году немецкий физик Гильберт предложил название «калий», происходящее от арабского слова «аль-кали», которое обозначало поташ. Это название было принято в большинстве европейских языков.

В 1860-х годах Дмитрий Иванович Менделеев провёл серию исследований, направленных на изучение свойств простых веществ и их соединений, в частности оксида калия (K₂O). Целью этих исследований было выявление закономерностей в химическом поведении веществ. В ходе работы Менделеев обнаружил, что свойства простых веществ и их соединений изменяются периодически в зависимости от атомной массы элементов. Щелочные металлы образуют оксиды, которые имеют чёткую структурную и реакционную схожесть.

В рамках экспериментов Менделеев изучал физические свойства оксидов, такие как плотность, термическая устойчивость, а также их химическую активность, способность взаимодействовать с водой, кислотами и другими веществами. Особое внимание было уделено особенностям образования производных соединений. Например, реакция K₂O с водой, приводящая к образованию гидроксида калия (KOH), подтверждала общую тенденцию щелочных оксидов к образованию сильных оснований. Полученные данные стали основой для формулировки периодического закона (1869) и создания периодической системы элементов.

Свойства вещества

Химическое строение

Кристаллическая решётка оксида калия имеет полиморфное строение и меняется в зависимости от температуры. При комнатной температуре и до 372 °С существует кубическая модификация с пространственной группой Fm3m. Параметры этой решётки:

• Постоянная решётки (а) = 0,644 нм
• Число формульных единиц в элементарной ячейке (z) = 4

Выше температуры 372 °С происходит фазовый переход, и кристаллическая структура становится гексагональной. В обоих случаях кристаллы оксида калия являются бесцветными.

Такое поведение кристаллической решётки обусловлено особенностями взаимодействия ионов калия и кислорода в структуре вещества. При нагревании происходит перестройка координационного окружения ионов, что приводит к изменению симметрии кристаллической структуры.

Кубическая модификация характеризуется высокой симметрией, что отражается в параметрах решётки и пространственной группе. Переход к гексагональной структуре при повышении температуры связан с энергетически более выгодным расположением ионов в новых координационных узлах.

Эти структурные особенности напрямую влияют на физические свойства оксида калия, такие как плотность, теплопроводность и химическая активность вещества при различных температурах.

Физические свойства

Оксид калия

Оксид калия (K₂O) имеет молярную массу 94,20 г/моль и является гигроскопичным, то есть способным поглощать влагу из окружающей среды. Плотность оксида калия при стандартных условиях (20 °C) составляет 2,32 г/см³. Температура плавления вещества равна 740 °C, а энтальпия плавления достигает 27,2 кДж/моль. Термодинамические характеристики оксида калия включают стандартную энтальпию образования −361,7 кДж/моль, стандартную энтропию 96 Дж/(моль·К) и теплоёмкость при нормальном давлении 72 Дж/(моль·К). С водой реагирует, растворяется в этиловом спирте и диэтиловом эфире.

Химические свойства

Термическое разложение

При нагревании до 350—430 °C оксид калия разлагается на пероксид калия (K₂O₂) и металлический калий (K). Происходит окислительно-восстановительная реакция, где кислород меняет степень окисления с −2 на −1. Ионы калия приобретают электрон и превращаются в металл. Реакция обратима и требует точного контроля температуры.

${\ce {2K2O = K2O2 + 2K}}$

Окисление кислородом

Оксид калия (K₂O) взаимодействует с молекулярным кислородом (O₂) при повышенном давлении и температуре, образуя надпероксид калия (KO₂). Реакция описывается уравнением:

${\ce {2 K2O + 3 O2 = 4 KO2}}$

В ходе процесса кислород выступает окислителем, повышая степень окисления атомов кислорода из K₂O с −2 до -½, что характерно для надпероксид-иона (O₂⁻).

Реакция с водой

Оксид калия (K₂O) — это химически активное вещество, которое при взаимодействии с водой демонстрирует ярко выраженные основные свойства. При контакте с водой реакция протекает очень бурно с выделением большого количества теплоты (экзотермически). Реакция происходит при комнатной температуре и сопровождается сильным разогреванием реакционной смеси и бурным вскипанием воды. В ходе реакции образуется сильное основание — гидроксид калия (KOH).

${\ce {K2O + H2O = 2KOH}}$

Взаимодействие с кислотами

Оксид калия (K₂O) проявляет ярко выраженные основные свойства в химических реакциях, особенно при взаимодействии с кислотами. В таких реакциях K₂O выступает как основный оксид и вступает в реакцию обмена, образуя соли и воду. Типичный пример такой реакции — взаимодействие с соляной кислотой (HCl):

${\ce {K2O + 2HCl = 2KCl + H2O}}$

Образуются хлорид калия (KCl) и вода (H₂O).

Реакция протекает при комнатной температуре и является экзотермической, то есть происходит с выделением тепла. При проведении реакции необходимо соблюдать следующие меры безопасности: использовать защитные перчатки, работать в защитных очках, проводить реакцию в вытяжном шкафу, иметь под рукой средства пожаротушения и соблюдать общие правила работы с кислотами.

Реакция с CO₂

Оксид калия (K₂O) при температуре около 400 °C активно реагирует с углекислым газом (CO₂), образуя карбонат калия (K₂CO₃). Эта реакция представляет собой типичный пример взаимодействия основного оксида с кислотным оксидом и протекает по уравнению:

${\ce {K2O + CO2 = K2CO3}}$

Реакция соединения приводит к образованию средней соли и является необратимой при низких температурах. В ходе реакции происходит химическое связывание углекислого газа с образованием твёрдого продукта — карбоната калия. Данное химическое взаимодействие находит широкое практическое применение в промышленности, где оно используется для эффективной очистки различных газовых смесей от углекислого газа. Метод особенно привлекателен благодаря ряду преимуществ: высокой скорости реакции при заданной температуре, полному связыванию CO₂, возможности получения легко удаляемого продукта и способности к регенерации реагента.

Взаимодействие с NO₂

В интервале температур 150—200 °C оксид калия (K₂O) вступает в окислительно-восстановительную реакцию с диоксидом азота (NO₂), в результате которой образуются нитрит калия (KNO₂) и нитрат калия (KNO₃). Реакция протекает по следующему уравнению:

${\ce {K2O + 2NO2 = KNO2 + KNO3}}$

В ходе этой реакции диоксид азота (NO₂) проявляет свои окислительные свойства, а конечными продуктами являются две калиевые соли азотной кислоты. Реакция характеризуется несколькими важными особенностями: она протекает в узком температурном интервале 150—200 °C, является окислительно-восстановительной реакцией.

Контроль температуры реакции имеет критическое значение для получения целевого соотношения продуктов. При отклонении от оптимального температурного интервала состав продуктов реакции может существенно измениться, что влияет на качество и применимость конечных продуктов.

Реакция с Al₂O₃

При температуре около 1000 °C оксид калия (K₂O) вступает в химическую реакцию с амфотерным оксидом алюминия (Al₂O₃), в результате которой образуется алюминат калия (KAlO₂). Реакция протекает по следующему уравнению:

${\ce {K2O + Al2O3 = 2KAlO2}}$

Реакция с жидким аммиаком

При низких температурах (около −50 °C) оксид калия (K₂O) вступает в реакцию с жидким аммиаком (NH₃), образуя амид калия (KNH₂) и гидроксид калия (KOH). Реакция протекает по следующему уравнению:

${\ce {K2O + NH3 = KNH2 + KOH}}$

Процесс происходит в среде жидкого аммиака, что является необходимым условием для его протекания при таких низких температурах. В ходе реакции оксид калия выступает как базовый компонент, а жидкий аммиак является не только реагентом, но и средой реакции. Образующийся амид калия (KNH₂) представляет собой сильное основание, которое находит широкое применение в органическом синтезе.

Ключевые характеристики K₂O

• Проявляет сильные основные свойства, активно реагируя с кислотами, кислотными оксидами и водой.
• Обладает гигроскопичностью, поглощая влагу и CO₂ из воздуха с образованием KOH и K₂CO₃.
• Требует особых условий хранения из-за высокой реакционной способности.

Эти свойства делают оксид калия важным реагентом в химической промышленности, лабораторной практике и производстве различных материалов.

Способы получения

Взаимодействие калия с кислородом в атмосфере инертного газа

Оксид калия (K₂O) получают в специальной стеклянной трубке с изгибами. Небольшой кусочек чистого калия (3-4 грамма), аккуратно очищают его от поверхностной корки. Металл помещают в первую часть трубки, где установлена специальная металлическая сетка-фильтр.

Чтобы избежать нежелательных реакций с воздухом, всю систему заполняют инертным газом (азотом или аргоном). Далее через систему пропускают сухой кислород, который реагирует с калием, образуя пористую массу оксида калия. Чтобы остановить реакцию, снова заполняют систему азотом. Финальный этап — нагревание до 400 °C в потоке азота. При этом непрореагировавший калий испаряется и собирается в третьей части трубки. Готовое колено запаивают.

${\ce {4K + O2 ->[N2] 2K2O}}$

Важно: оксид калия очень активно реагирует с воздухом, поэтому его нужно хранить в инертной атмосфере. На открытом воздухе он мгновенно взаимодействует с влагой и углекислым газом, превращаясь в другие соединения. Этот метод позволяет получить чистый оксид калия, который широко используется в химической промышленности и лаборатории.

Взаимодействие калия с гидроксидом калия

В результате взаимодействия металлического калия с гидроксидом калия при температуре около 450 °С образуется оксид калия и газообразный водород. При нагревании гидроксид калия плавится, создавая условия для взаимодействия с металлическим калием. Атомы калия отдают электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы K⁺, которые соединяются с отрицательно заряженными оксид-ионами (O^2-), образуя оксид калия K₂O. Водород, выделяющийся из гидроксид-ионов (OH^-), образуется в виде газа H₂. Этот процесс используется для синтеза оксида калия в лабораторных условиях.

${\ce {2K + 2KOH = 2K2O + H2}}$

Разложение надпероксида и пероксида калия

Оксид калия можно получить методом термического разложения кислородных соединений калия. Процесс состоит из двух последовательных стадий.

• На первой стадии при температуре 290 °C происходит разложение надпероксида калия (KO₂). В результате образуется пероксид калия (K₂O₂) и выделяется газообразный кислород (O₂). При этом степень окисления кислорода меняется от −1/2 в надпероксиде калия до −1 в пероксиде калия и 0 в молекулярном кислороде.

${\ce {2KO2 = K2O2 + O2}}$

• На второй стадии, при повышении температуры до 530 °C, происходит дальнейшее разложение полученного пероксида калия (K₂O₂). В результате образуется целевой продукт — оксид калия (K₂O) — и дополнительно выделяется кислород (O₂). Степень окисления кислорода при этом изменяется от −1 в пероксиде калия до −2 в оксиде калия и 0 в кислороде.

${\ce {2K2O2 = 2K2O + O2}}$

Процесс является окислительно-восстановительной реакцией, где кислород выступает и окислителем, и восстановителем. Для успешного проведения реакций необходимо создавать инертную атмосферу или проводить процесс в вакууме, что предотвращает протекание обратных реакций.

Этот метод находит широкое применение в лабораторной практике для получения чистого оксида калия, а также для контролируемого выделения кислорода. Кроме того, данный процесс используется для изучения термостабильности кислородных соединений щелочных металлов, что важно для фундаментальных исследований в области химии.

Взаимодействие надпероксида (пероксида) калия с металлическим калием

Оксид калия можно получить с помощью реакции супероксида калия (KO₂) с металлическим калием. Процесс протекает по уравнению:

${\ce {KO2 + 3K = 2K2O}}$

Это окислительно-восстановительная реакция, в которой металлический калий (K⁰) выступает в роли восстановителя, окисляясь до иона K⁺ в составе оксида калия (K₂O). Кислород в супероксиде калия (KO₂), имеющий степень окисления −1/2, восстанавливается до состояния −2 в K₂O. Реакция проводится при нагревании в инертной атмосфере или вакууме, что предотвращает побочные процессы. Процесс экзотермический из-за высокой реакционной способности металлического калия. Этот метод используется в лабораторных условиях для получения чистого оксида калия.

Разложение карбоната калия

При термическом разложении карбоната калия (K₂CO₃) происходит его распад на оксид калия (K₂O) и углекислый газ (CO₂). Этот процесс протекает высокой температуре 1200 °C и представляет собой необратимую реакцию без участия катализаторов.

${\ce {K2CO3 = K2O + CO2}}$

В ходе реакции под воздействием высокой температуры происходит разрыв химических связей в молекуле K₂CO₃. При этом карбонат-ион (CO₃²⁻) разлагается с образованием углекислого газа (CO₂), а ионы калия (K⁺) объединяются, образуя оксид калия (K₂O). Для успешного проведения процесса необходимо обеспечить несколько важных условий: термическую устойчивость реакционной среды, защиту от влаги и кислорода воздуха, а также строгий контроль температуры. Требуется обеспечить безопасное удаление выделяющегося углекислого газа.

Этот метод получения оксида калия особенно ценен для лабораторных исследований и промышленного производства, где требуется чистый K₂O. Важным преимуществом данного процесса является его простота и отсутствие необходимости в дополнительных реагентах, кроме исходного карбоната калия и высокой температуры.

Взаимодействие нитрита калия с металлическим калием

При взаимодействии нитрита калия (KNO₂) с металлическим калием (K) происходит окислительно-восстановительная реакция, в результате которой образуются оксид калия (K₂O) и газообразный азот (N₂). Реакция протекает по уравнению:

${\ce {2KNO2 + 6K = 4K2O + N2}}$

Процесс требует нагревания выше 200 °C для инициирования реакции. Важным условием является проведение реакции в инертной атмосфере или вакууме, что необходимо для предотвращения окисления металлического калия кислородом воздуха, так как калий обладает высокой реакционной способностью. В ходе реакции металлический калий выступает в роли восстановителя, а нитрит калия — окислителя. В результате происходит передача электронов, что приводит к образованию оксида калия и выделению газообразного азота.

Этот метод получения оксида калия представляет интерес для лабораторной практики и промышленного производства, особенно когда требуется чистый K₂O без примесей других оксидов.

Применение

Сельское хозяйство

Калийный оксид, или K₂O, представляет собой значимый компонент в составе калийных удобрений, хотя в чистом виде он применяется редко из-за своей агрессивности. В почву он попадает в виде комплексных соединений, таких как поташ (K₂CO₃), или в сочетании с другими минералами. Калий играет ключевую роль в жизни растений, регулируя водный баланс, участвуя в синтезе белков и углеводов, а также повышая устойчивость к заболеваниям. Удобрения, содержащие K₂O, способствуют увеличению урожайности зерновых и плодовых культур.

Производство стекла и керамики

Оксид калия (K₂O) используется как ключевой компонент шихты — смеси сырья для производства стекла. Введение K₂O в состав стекольной массы позволяет существенно оптимизировать технологический процесс и улучшить характеристики конечного продукта. Одним из главных преимуществ использования оксида калия является его способность значительно снижать температуру плавления стекломассы. Если для производства чистого кварцевого стекла требуется температура около 1700 °C, то добавление K₂O позволяет снизить этот показатель до 1000—1200 °C, что существенно упрощает и удешевляет процесс производства.

Особое значение имеет влияние оксида калия на оптические свойства стекла. Калиевое стекло отличается высокой прозрачностью и минимальным коэффициентом преломления, что делает его материалом для производства оптических линз и различных приборов. Эта характеристика особенно важна при изготовлении компонентов для микроскопов, телескопов и лазерных систем, где требуется максимальная точность и качество изображения.

Термическая устойчивость — ещё одно важное свойство калиевого стекла. Благодаря присутствию K₂O стекло становится более устойчивым к резким перепадам температур, что существенно снижает риск растрескивания. Это качество делает калиевое стекло материалом для производства лабораторной посуды (колб, пробирок) и термостойкой кухонной утвари, которая может подвергаться значительным температурным нагрузкам.

Кроме того, оксид калия способствует предотвращению кристаллизации расплава, обеспечивая однородность структуры стекла. Это особенно важно для производства высококачественных изделий, где требуется равномерность материала на молекулярном уровне.

В результате применения K₂O в стекольной промышленности удаётся производить широкий спектр высококачественных изделий:

• Прецизионные оптические линзы для научных приборов.
• Художественное стекло высокого качества (например, знаменитый богемский хрусталь).
• Специальные стеклянные электроды для pH-метрии.
• Термостойкая лабораторная посуда.
• Качественная кухонная утварь.

Химическая промышленность

Оксид калия служит сырьём для синтеза других соединений калия. При взаимодействии с водой он бурно реагирует, образуя гидроксид калия (KOH) — сильное основание, применяемое в производстве мыла, красителей и электролитов. K₂O также используется в органическом синтезе как катализатор или реагент в реакциях нейтрализации кислот.

Уровень опасности и меры предосторожности

Оксид калия (K₂O) относится к высокоопасным веществам из-за своей химической активности, коррозионных свойств и способности вызывать тяжёлые ожоги.

Класс опасности

По ГОСТ 12.1.007-76: Вещество 2-го класса опасности (высокоопасное).

По системе GHS (Globally Harmonized System):

• Коррозионное воздействие (Категория 1A).
• Опасность при контакте с водой (Категория 1A).

Основные риски

Контакт с кожей и слизистыми:

• Вызывает тяжёлые химические ожоги из-за образования гидроксида калия (KOH) при реакции с влагой.
• Попадание в глаза может привести к необратимому повреждению роговицы.

Вдыхание пыли:

• Раздражающее воздействие на дыхательные пути, вызывающее кашель, одышку и отёк лёгких.

Реакция с водой:

• Экзотермическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и паров едкого KOH.
• Может привести к взрыву при смешивании с большим количеством воды.

Взаимодействие с кислотами:

• Бурная реакция, сопровождающаяся выделением тепла и токсичных газов.

Меры предосторожности

• Средства индивидуальной защиты: химически стойкий костюм, фартук, закрытая обувь, защитные очки или маска с непроницаемыми щитками.
• Дыхательные пути: респиратор с фильтром для щелочных аэрозолей (класс P3).
• Кожа: перчатки из нитрила или неопрена.
• Работа в лаборатории или на производстве: использовать вытяжной шкаф для предотвращения вдыхания паров. Избегать контакта с водой, кислотами и органическими веществами.
• Хранение и транспортировка: содержать в сухом помещении с влажностью менее 50 %. Маркировать тару знаком «Едкое вещество» (GHS05). Избегать соседства с кислотами, окислителями и легковоспламеняющимися материалами.
• Ликвидация разливов: немедленно изолировать зону. Собрать сухим инертным материалом (песок, силикагель). Не использовать воду для нейтрализации! Обработать поверхность слабым раствором уксусной кислоты (после удаления основного вещества).

Первая помощь

• При поражении кожи следует промыть поражённый участок проточной водой в течение 15-20 минут, после чего удалить загрязнённую одежду.
• При попадании вещества в глаза необходимо немедленно промыть их физиологическим раствором или водой, держа веки открытыми. После этого следует обратиться к офтальмологу.
• В случае вдыхания токсичного вещества пострадавшего следует вывести на свежий воздух и обеспечить ему покой. При затруднённом дыхании необходимо провести ингаляцию кислородом.
• При проглатывании токсичного вещества не следует вызывать рвоту. Пострадавшему необходимо дать выпить 200—300 мл воды и немедленно доставить его в медицинское учреждение.

Примечания

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Оксид калия», расположенная по следующим адресам: — «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Оксид_калия» — «https://znanierussia.ru/articles/Оксид_калия» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».