Степень окисления калия: значения в соединениях, аномальные степени, использование

Калий - один из наиболее распространенных химических элементов на Земле. Он входит в состав минералов, пород, почв, вод и живых организмов. Трудно найти место, где бы не содержалось ни малейшего количества соединений калия. Но несмотря на повсеместное присутствие этого щелочного металла, далеко не каждый знает, какие степени окисления может проявлять калий в химических реакциях. Давайте разберемся!

Общая информация о калии

Калий (K) - химический элемент III группы периодической системы с порядковым номером 19. Это мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Калий обладает следующими физико-химическими свойствами:

• атомная масса - 39,0983 а.е.м.
• плотность - 0,89 г/см³ при 20°С
• t_пл - 63,65°С
• t_кип - 774°С
• воспламеняется на воздухе
• активно реагирует с водой с выделением водорода

Благодаря своим свойствам калий и его соединения находят широкое применение:

1. калийные удобрения в сельском хозяйстве;
2. производство мыла, стекла, керамики, фотоматериалов и др.;
3. в медицине;
4. в пищевой промышленности.

Калий достаточно распространен на Земле, особенно в морской воде, горных породах и почвах. По распространенности среди металлов он занимает седьмое место.

Что представляет собой степень окисления

Степень окисления - это условный заряд атома химического элемента в молекуле или ионе, который показывает, сколько электронов атом отдал другим атомам или сколько принял от них при образовании химической связи.

Степень окисления позволяет определить окислитель и восстановитель в окислительно-восстановительных реакциях. Восстановитель - элемент, отдающий электроны. Его степень окисления увеличивается. Окислитель - элемент, принимающий электроны. Его степень окисления уменьшается.

Степень окисления обозначается римской цифрой и ставится перед символом элемента:

IIK, IVS, -IICl

Степень окисления может быть:

• положительной - элемент отдал электроны;
• отрицательной - элемент принял электроны;
• равной нулю - элемент в свободном состоянии или в простом веществе.

Для определения степени окисления используют несколько правил и закономерностей.

Рассмотрим пример расчета степени окисления марганца в соединении KMnO₄:

1. Степень окисления щелочных металлов (K) равна +1;
2. Степень окисления кислорода - (-2);
3. Сумма степеней окисления всех элементов = 0;
4. Составляем уравнение: x(Mn) + 1(K) + 4(-2) = 0 x = +7

Итак, степень окисления марганца равна +7.

Возможные степени окисления калия

Как и другие элементы первой группы, калий проявляет степень окисления +1 в большинстве соединений, например: KCl, KBr, KI, КОН, KNO₃.

Однако в редких случаях калий может иметь степень окисления 0 и даже -1.

Степень окисления калия 0 проявляется только в простом веществе - металлическом калии. В этом состоянии все атомы калия электронейтральны.

Степень окисления калия равна -1 в соединениях с сильными окислителями, когда калий выступает в роли восстановителя. Например, в пероксиде калия - K₂O₂.

Калий с отрицательной степенью окисления

Обычно калий в соединениях выступает как восстановитель и имеет положительную степень окисления +1. Но бывают редкие ситуации, когда под воздействием сильных окислителей калий отдает электрон и переходит в отрицательную степень окисления.

Первым соединением, где калий проявляет степень окисления -1, был синтезированный пероксид калия K₂O₂. В его молекуле кислород находится в степени окисления -1. Чтобы обеспечить электронейтральность, калию приходится отдать по 1 электрону, вследствие чего его степень окисления становится равной -1.

Позже были получены и другие соединения, где калий проявляет нехарактерную для себя отрицательную степень окисления, например K₃C₆₀, KC₂₄, K₂PtCl₆ и некоторые другие.

Максимально возможная степень окисления калия

Как уже отмечалось, наиболее характерная и часто встречающаяся степень окисления калия равна +1. Это обусловлено химическими свойствами калия как типичного щелочного металла.

Однако высшая и максимальная степень окисления, которую теоретически может проявить калий, равна -1. Именно такая степень окисления наблюдается у калия в пероксиде K₂O₂ и некоторых других необычных соединениях.

Причины аномальных степеней окисления калия

Появление у калия отрицательной степени окисления - явление достаточно редкое и нехарактерное.

Это происходит только при взаимодействии калия с очень сильными окислителями вроде пероксида водорода, кислорода в активированном состоянии, фтора и некоторых других.

В таких условиях калий вынужден отдавать свои электроны и переходить в отрицательную степень окисления, чтобы соблюсти электронейтральность образующихся соединений.

Реакционная способность пероксида калия

Пероксид калия обладает высокой реакционной способностью, поскольку атомы кислорода в нем находятся в активированном состоянии со степенью окисления -1.

Пероксид калия может окислять как неорганические, так и органические соединения - галогены, серу, фосфор, металлы, спирты, альдегиды, кетоны и др.

Скорость окислительно-восстановительных реакций с участием пероксида калия очень высока, некоторые реакции протекают даже со взрывом.

Применение пероксида калия

Благодаря своим окислительным свойствам пероксид калия применяют:

• в органическом синтезе для окисления различных соединений;
• для отбеливания хлопка, шерсти, целлюлозы, муки и других материалов;
• в пиротехнике в составе бесдымного пороха;
• в аналитической химии как окислитель.

Окислительно-восстановительные реакции калия

Хотя калий чаще всего выступает восстановителем со степенью окисления +1, в редких случаях он может проявлять окислительные свойства.

Это происходит при взаимодействии пероксида калия или других соединений с отрицательной степенью окисления калия с веществами, которые легко окисляются – металлами, серой, фосфором и др.

Области применения соединений с аномальными степенями окисления калия

Соединения, в которых калий проявляет нехарактерную для себя отрицательную степень окисления, находят довольно узкое применение.

В основном это использование пероксида калия в качестве сильного окислителя в органическом синтезе, а также отбеливающего реагента.

Перспективным направлением является исследование калий-углеродных и калий-металл-углеродных соединений для нужд наноиндустрии и микроэлектроники.