البوتاسيوم
بوتاسيوم
Potassium -
ملك الجبة
البوتاسيوم Potassium عنصر كيميائي رمزه K، وعدده الذري 19. وهو أحد عناصر الفصيلة IA (الفصيلة 1) في الجدول الدوري، وتدعى فصيلة المعادن القلوية التي تضم إضافة إلى البوتاسيوم الليثيوم والصوديوم والروبيديوم والسيزيوم والفرنسيوم .
 |
يُعد البوتاسيوم من أكثر العناصر شيوعاً بالقشرة الأرضية؛ إذ يؤلف 2.5% وزناً منها، وبذلك يحتل المرتبة السابعة بين العناصر من حيث وفرته فيها، لكنه لا يوجد حراً في الطبيعة نظراً لفعاليته الشديدة وإنما متحد مع عناصر أخرى ليكوّن مركبات له؛ منها الأورثوكلاز orthoclase والمكروكلين microcline ولهما الصيغة 
، وهي تحوي 4-15% أكسيد البوتاسيوم
، والمسكوفيت muscovite وتحوي 7-11% من أكسيد البوتاسيوم، والبيوتايت biotite وهو سليكات المغنزيوم والحديد والبوتاسيوم والألمنيوم، كما يوجد أيضاً في التربة الزراعية. ويوجد أيضاً على نحو طبيعي في مياه البحر (0.39غ/ل)، وهناك رواسب ضخمة من مركباته الرئيسية التي تشمل كلوريد البوتاسيوم، وكبريتات البوتاسيوم في كندا وألمانيا، ويعد البحر الميت مصدراً رئيسياً آخر لمركبات البوتاسيوم.
يدخل البوتاسيوم في تركيب خلايا النبات والحيوان، ويوجد أيضاً بكميات كبيرة في الأعضاء الحديثة النشيطة النمو؛ ولاسيما البراعم والأوراق الصغيرة وقمم الجذور وخصوصاً في سيتوبلاسما (هيولى) الخلية cytoplasm، في حين أنه قليل التركيز في البذور والأنسجة الناضجة. وينتقل البوتاسيوم بحرية تامة خلال الأنسجة، ولذلك يستطيع النبات أن يُعيد استخدامه مرة أُخرى بانتقاله من الأنسجة القديمة إلى الأنسجة النامية، ولهذا فإنه يوجد في المواد الغذائية المختلفة مثل الشعير والقمح الجاف والبندورة والكوسا والبقول والبيض والحليب.
يصعب الحصول على معادن الفصيلة IA من مركباتها نظراً لنشاطها الكيميائي، لذا يلجأ إلى طريقة التحليل الكهربائي، ويعود الفضل إلى الكيميائي الإنكليزي ديفي Humphry Davy في استحصال البوتاسيوم وفصله عام 1807. يحضّر البوتاسيوم بطريقة التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد البوتاسيوم؛ لأن البوتاسيوم المتحرر ينحل في كلوريد البوتاسيوم. ومن الجدير بالذكر أن العملية لا تخلو من خطورة؛ لأن فوق أكسيد البوتاسيوم potassium peroxide 
الذي قد يتشكل بتفاعل الأكسجين مع البوتاسيوم يرافقه تفاعل متفَجِّر.
وتعتمد الطريقة المتبعة حالياً لتحضير البوتاسيوم على إرجاع مصهور كلوريد البوتاسيوم بمعدن الصوديوم عند الدرجة 850°س، ويتم ذلك بإدخال مصهور ملح كلوريد البوتاسيوم في وعاء غير قابل للأكسدة حيث يلاقي أبخرة الصوديوم المنطلقة من أسفل الوعاء المعادلة (1):
يلاحظ من هذه المعادلة أن التفاعل عكوس، لذا يجب تكثيف بخار البوتاسيوم المنطلق وعزله عن كلوريد الصوديوم مباشرة.
البوتاسيوم معدن metal، بنيته الإلكترونية 
؛
حيث 
البنية الإلكترونية للغاز الخامل الأرغون، وهو ذو لون أبيض فضي، لدن يمكن قطعه بالسكين، قساوته 0.4 على مقياس موس Mohs، له صفات المعادن مثل البريق، والتوصيل الحراري والكهربائي الجيدين، نصف قطره الذري 235 بيكو متراً، وزن واحدة الحجوم 0.86غ/سم3، وناقليته النوعية الكهربائية (عند الدرجة 20°س) 72 نانوأوم متراً، درجة انصهاره 63.5°س، درجة غليانه 759°س، كمية حرارة تبخره 9.76 كيلوجول/مول، كمية حرارة إماهة إيونه 
82 كيلو حريرة لكل مول، طاقة تأينه الأول 8.418 كيلو جول/ مول، وطاقة تأينه الثانية 3052 كيلوجول/مول، كمون إرجاعه النظامي
(
) يساوي -2.92 فولط. له في الطبيعة ثلاثة نظائر 
،
، 
. النظير 
مشع وعمر نصفه
سنة. يستطيع البوتاسيوم إصدار إلكترونات عندما يتعرض للضوء (الأثر الكهرضوئي)؛ لأنه يوجد في طبقته السطحية إلكترون واحد فقط، لذلك يستخدم في صناعة الخلايا الكهربائية. ويعطي هو وأملاحه اللهب لوناً بنفسجياً لذلك يكشف عن أملاح البوتاسيوم إما بفحص لهب أملاحه flame test، وإما بإجراء القياس في جهاز مطياف اللهب flame photometer.
للبوتاسيوم درجة أكسدة واحدة وهي 
وهو فعال جداً؛ لذلك يكمد بسرعة لدى تعرضه للهواء بسبب تشكل فوق أكسيد البوتاسيوم 
، لذا ينصح دائماً بالاحتفاظ به بمعزل عن الهواء لمنعه من التأكسد؛ مما يوجب حفظه في سوائل خاملة مثل الكيروسين (زيت الكاز). ويتشكل أكسيد فائق superoxide 
عند احتراقه بالأكسجين، ويعود ذلك إلى كبر نصف قطر الإيون الموجب (الكاتيون) 
؛ بحيث يكون الحقل الكهربائي الناتج منه ضعيفاً جداً مما يسمح بتشكيل الإيون
. وعند إذابة هذا الأكسيد الفائق بالماء يتشكل غاز الأكسجين 
وإيونات الهدروكسيد
وماء أكسجيني 
، لذلك يتمتع هذا المحلول المتشكل بصفة قلوية. وتستخدم الأكاسيد الفائقة في أجهزة التنفس؛ إذ إن تفاعله مع الماء يكوّن الأكسجين، فحين يُمرَر فيه هواء الزفير الذي يحتوي على 
و
يحدث التفاعلان (2 و3):
وتوفر هذه العملية للمستخدم غاز الأكسجين بكمية كبيرة.
أما أكسيد البوتاسيوم 
فيُحضّر بتسخين معدن البوتاسيوم مع نترات البوتاسيوم.
يفكك الماء أو الجليد معطياً هدروكسيد البوتاسيوم وينطلق غاز الهدروجين، وهذا التفاعل عنيف بسبب كهرجابية هذا المعدن وتفاعله مع الحموض أعنف.
يتفاعل البوتاسيوم مع اللامعادن بسهولة وذلك لسهولة تأكسده، ويكون التفاعل عنيفاً مع البروم السائل ويتشكل بروميد البوتاسيوم KBr. يتفاعل معدن البوتاسيوم المصهور مع الأكاسيد وهاليدات المعادن الأخرى على النحو الآتي (المعادلة 4):
يتفاعل البوتاسيوم مع غاز الهدروجين عند درجة عالية من الحرارة، وهذا ما يؤكد الخواص الإرجاعية له بتشكل هدريد البوتاسيوم KH. وهو يذوب في الأمونيا (النشادر ) مكوناً الأميد
وينطلق الهدروجين.
وللبوتاسيوم مركبات عضوية معدنية organometallic compounds مثل متيل البوتاسيوم تغلب عليها الخواص الإيونية، وهي فعالة جداً ولا تنحل في الفحوم الهدروجينية، ويستحصل متيل البوتاسيوم القابل للاشتعال تلقائياً pyrophoric (المعادلة 5):
يصعب في أغلب الأحيان فصل أملاح البوتاسيوم عن الأملاح الأخرى؛ لأن البوتاسيوم يوجد في الطبيعة مزيج من ملحه وملح معدن آخر، يدعى مزيج كلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم السلفين sylvine عندما يكون هذا المزيج غنياً بكلوريد البوتاسيوم؛ وبالسلفيت sylvite عندما يكون هذا المزيج فقيراً به، لذا فإن طريقة استخراج البوتاسيوم تقتضي بصورة أولية فصل أملاح البوتاسيوم في حالة المزيج المؤلف من كلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم.
تأتي أهمية كلوريد البوتاسيوم 
في الصناعة من إمكان تحضير أغلب مركبات البوتاسيوم بدءاً منه، فيمكن أن تحضر نترات البوتاسيوم
من مزيج يحوي نترات الصوديوم الساخن المشبع وكلوريد البوتاسيوم (المعادلة 6):
وتسمى أيضاً saltpeter أو niter، بتبخير المحلول الناتج؛ اعتماداً على أن كلوريد الصوديوم أقل انحلالاً من نترات البوتاسيوم عند رفع درجة الحرارة، فيعزل كلوريد الصوديوم، ثم يبرد المحلول. ونظراً لكون انحلالية نترات البوتاسيوم قليلة جداً عندما يكون المحلول بارداً؛ فإن نترات البوتاسيوم تتوضع وتتبلور وتعزل لاستخدامها سماداً في إخصاب التربة بالآزوت (النتروجين) والبوتاسيوم معاً، كما تستعمل في الألعاب النارية، وصنع المتفجرات، وأعواد الثقاب، والزجاج. وبتفاعل البوتاسيوم مع اليود ويعطي يوديد البوتاسيوم 
الذي يضاف إلى ملح الطعام.
هدروكسيد البوتاسيوم
مركب ذو خواص قلوية شديدة، يستعمل على نطاق أقل اتساعاً من هدروكسيد الصوديوم نظراً لارتفاع ثمنه، ومع ذلك يستعمل في صناعة الصابون اللين، وفي المخابر لسحب الماء وغاز ثنائي أكسيد الكربون من الغازات، كما يستعمل لأغراض أخرى منها عمليات القصر، وبعض خلايا الوقود، وصنع الأسمدة السائلة، وإزالة الدهان.
كربونات البوتاسيوم
تحضر كربونات البوتاسيوم تجارياً بالتحليل الكهربائي لكلوريد البوتاسيوم؛ إذ يتشكل هدروكسيد البوتاسيوم، ثم يمرر غاز ثنائي أكسيد الكربون في المحلول (المعادلة 7):
كما يمكن استحضارها بطرائق أخرى.
تستعمل كربونات البوتاسيوم في صنع أنواع خاصة من الزجاج (مثل أنابيب التلفاز الملون)، والحصول على سيليكات البوتاسيوم، وعاملاً agent لنزع الماء dehydration، وفي صنع أحبار الطباعة، والصابون اللين، وغسيل الصوف الخام.
ومن أملاحه أيضاً كرومات البوتاسيوم 
، ولها استعمالات عدة يذكر منها دباغة الجلود وصباغة الأنسجة، وكبريتات البوتاسيوم 
التي تستعمل في صنع الأسمدة وضروب الشب alums البوتاسي.
البوتاسيوم أثمن من الصوديوم، ويعود ذلك إلى الصعوبة الكبيرة في إنتاجه، ولكن يستعمل بصورة أقل نسبياً من الصوديوم، ويزداد إنتاجه يوماً بعد يوم في كثير من أنحاء العالم؛ ولا سيما أن مركباته بدأت تستعمل على نطاق واسع. يشكل البوتاسيوم بسهولة أكسيد البوتاسيوم الفائق 
الذي يستخدم مادة مولدة للأكسجين في مناجم الفحم وفي المشافي وفي أجهزة الفضاء.
يشكل البوتاسيوم مع الصوديوم خليطة (أشابة) مهمة
تتميز بناقليتها الحرارية العالية المماثلة لمعدن الصوديوم، وتكون هذه الخليطة عند الدرجة العادية من الحرارة بشكل سائل (40% إلى 60% بوتاسيوم) .
يعد البوتاسيوم من العناصر الرئيسة في التغذية حيث يمتص بوساطة النباتات بكمية تفوق باقي العناصر؛ فيما عدا الآزوت؛ وفي بعض الأحيان الكلسيوم. وعلى عكس العناصر الرئيسية الأخرى فإنه لم يثبت حتى الآن دخوله في بناء المركبات العضوية الضرورية واللازمة للنبات. ومن ثم فالبوتاسيوم عنصر أساسي، لا يمكن لعنصر آخر مشابه له كالصوديوم أو الليثيوم أن يحل محله.
يمتص النبات البوتاسيوم من التربة على شكل طرطرات أو أكزالات، تتحول بدورها إلى كربونات عند حرق النباتات. وفي الحيوانات العليا تعمل إيونات البوتاسيوم مع إيونات الصوديوم على تمرير النبضات الكهركيميائية في الأعصاب والألياف العضلية، وإن زيادة البوتاسيوم أو نقصانه في الجسم ممرضة في الحالتين.
يحوي الدم قرابة 5 مكروغرام/لتر، ويُمتص من الأمعاء ويُطرح 80% منه بالبول، وجزء عن طريق العرق والبراز.
|
مراجع للاستزادة: - محمد علي المنجد، عبد المجيد البلخي، الكيمياء اللاعضوية (2)، منشورات جامعة دمشق، 2012. - محمد علي المنجد، ملك الجبة، الكيمياء اللاعضوية، منشورات جامعة دمشق، 2012. -J.E. Huheey et al., Inorganic chemistry: principles of structure and Reactivity, Pearson Education, 2006. |
- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد الخامس مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
