Калий: физические и химические свойства, содержание калия в природе, почве, растениях

Калий – химический элемент, играющий большую роль в жизни растений. По степени необходимости стоит в одном ряду с азотом и фосфором. Распространен в природе достаточно широко. Встречается только в виде соединений. Является действующим веществом сырых калийных солей и к

онцентрированных калийных удобрений. Применяется под все сельскохозяйственные культуры в качестве основного, припосевного удобрения и подкормки.

В нашей стране еще в XIвеке производство поташа было довольно совершенным. Люди использовали уже не обыкновенную золу, а выпаренный раствор, образующийся при ее кипячении. Перед выпариванием его фильтровали для отделения частиц чистого  угля и других примесей. В результате формировались ломкие кусочки серого цвета, состоящие из карбоната, сульфата, хлорида калия и соды. Несмотря на свою невзрачность, этот результат химических превращений всегда был в ходу и продавался за немалую цену, так как аналогов ему тогда не существовало.

Долгое время люди не догадывались, что основным компонентом средневекового «мыла» был новый химический элемент. И только в 1807 году Гемфри Дэви, проведя электролиз щелочи КОН, выделил из нее металлический калий. Его отнесли к группе щелочных, или, как их еще называли, «яростных» металлов, отличающихся высокой химической активностью. Позже калий был обнаружен и в составе других веществ, а также послужил основой для получения множества соединений, ныне повсеместно используемых человеком. Например, он является составляющей жидкого мыла, которое не идет ни в какое сравнение со средством, используемым несколько веков назад.

Физические и химические свойства калия

Калий (Kalium), K – химический элемент главной подгруппы I группы периодической системы Менделеева. Атомный номер – 19. Атомная масса – 39,10.

Калий – типичный щелочной металл серебристо-белого цвета. Он быстро окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой, загорается при небольшом нагревании. Реакция с водой сопровождается выделением водорода. Энергично взаимодействует с галогенами, особенно с хлором и фтором.

• Температура плавления – 63,5°C,
• Температура кипения – 771°C,
• Плотность – 0,86 г/см³.

Содержание калия в природе

Калий принадлежит к распространенным элементам. Металл входит в состав различных минералов и горных пород силикатного типа. В верхних слоях мощных отложений каменной соли иногда содержатся значительные количества калия, преимущественно в виде хлоридов или двойных солей с магнием и натрием. Однако же большие скопления солей калия промышленного значения встречаются редко. В воде многих озер содержится сода.

Калий присутствует почти во всех тканях и органах растений, часто в неодинаковых количествах. В соломе зерновых культур его больше, чем в зерне. В клубнях картофеля – меньше, чем в ботве. Богаты содержанием калия молодые растения, в которых все клетки энергично делятся. Максимальное накопление калия в растении совпадает с периодом цветения.

Формы доступности калия в почве

Запасы калия там гораздо больше, чем запасы азота и фосфора. Содержание валового калия колеблется от 0,5 до 4 % и зависит от гранулометрического состава почв. Чем больше глинистых частиц в почве, тем больше в ней калийных соединений.

По степени подвижности, а значит, и доступности растениям соединения калия подразделяют на:

1. Калий почвенного раствора (водорастворимый). Состоит из различных солей. Данная форма легко усваивается растениями, но ее содержание незначительно (1–20 мг/кг почвы) и не может характеризовать обеспеченность растений калийными соединениями.
2. Калий поглощенный (обменный). Входит в состав катионов поглощающего почвенного комплекса. Обменный калий легко переходит в раствор почвы. Этим и обусловлена его легкая доступность растениям.

Разграничение обменной и водорастворимых форм достаточно условно, поскольку, в зависимости от условий окружающей среды (температуры, влажности и т. д.), содержание водорастворимого калия уменьшается или увеличивается за счет обменного.

3. Калий необменный (фиксированный). Не экстрагируется из почвы растворами слабых кислот и нейтральных солей, включает в себя фиксированный природный и искусственно фиксированный калий. Природный фиксированный калий – калий, удерживаемый в решетке глинистых минералов. Искусственно фиксированный калий расположен в межпакетных пространствах кристаллической решетки. Он используется растениями лучше, чем природный фиксированный.
4. Калий, входящий в состав безводных силикатов. Находится в составе минералов алюмосиликатов (полевых шпатов и слюд), труднорастворим.
5. Калий в составе плазмы микроорганизмов. Практического значения в питании растении почти не имеет в связи с малым количеством.

Формы калия в почве не постоянны и могут переходить друг в друга.

Валовое содержание калия в почве не всегда способно точно характеризовать обеспеченность растений калием, поскольку в почве может содержаться только около 1 % валовых запасов, доступных растениям. В связи с этим, об обеспеченности калием на разных типах почв судят не по общему (валовому) проценту его содержания, а по соотношению между его формами.

Содержание калия в различных типах почв

Валовое содержание калия в почве определяется и характером материнской породы.

Осадочные горные породы (материнские для многих почв) содержат калия не менее 2,14 % от общей массы.

Тяжелые глинистые почвы содержат до 3 – 4 % калия.

Суглинистые почвы – 2 – 2,5 % калия от общей массы.

Бедные песчаные почвы – 0, 7 – 1 % калия от общей массы.

Дерново-подзолистые почвы содержат до 0,8 – 1,5 % обменного калия от общего содержания калия в почве.

Роль калия в растениях

Биохимические функции калия

Ткани и органеллы растений, содержащие калий. Калий необходим абсолютно всем растениям, животным и микроорганизмам на Земле. Попытки заменить этот элемент близкими к нему (литием, натрием, рубидием) потерпели неудачу. Функция калия в тканях и органеллах растений строго специфична.

В растениях калий содержится в ионной форме. Не найдено ни одного органического соединения, в состав которого был бы включен данный элемент. Он поглощается растениями в виде катионов. В такой форме он и остается в клетке, образуя только слабые связи с ее веществами. Именно такой калий выполняет функцию нейтрализации отрицательно заряженных компонентов клетки и создает разность электрических потенциалов между средой и клеткой. Скорее всего, в этом и есть специфичность функционирования данного металла как незаменимого для растений.

Основная масса калия находится в цитоплазме и вакуолях клеток. Установлено, что в пластидах и ядрах клеток калий отсутствует. Почти 80 % калия находится в клеточном соке и легко вымывается водой, особенно из старых листьев.

В клетках растений около 20 % калия удерживается в обменно-поглощенном состоянии коллоидами цитоплазмы и до 1 % его поглощается митохондриями необменно.

Элемент молодости. Калий называют элементом молодости. Действительно, молодые органы растений содержат калия в 3 – 5 раз больше, чем старые, поскольку его гораздо больше именно в тех клетках, где наиболее интенсивно проходят процессы деления и обмена веществ.

Больше всего калия содержит пыльца растений. Например, в золе пыльцы кукурузы его содержится до 35,5 %, тогда как магния, серы, кальция и фосфора вместе только 24,7 %.

Соединения калия отличаются легкой подвижностью в тканях растений, что и обеспечивает его реутилизацию путем перемещения из старых тканей в молодые. В результате этого его содержание в листьях и стеблях возрастает снизу вверх.

Физиологические функции калия

Калий выполняет в растениях разнообразные физиологические функции:

• Стимулирует течение фотосинтеза.
• Увеличивает отток углеводов из листовой пластинки в другие органы.
• Усиливает синтез сахаров, высокомолекулярных углеводов (целлюлозы, крахмала, пектиновых веществ и пр.).
• Способствует усилению накопления моносахаров в плодовых и овощных культурах.
• Способствует накоплению углеводов в клетках растений. Это приводит к увеличению осмотического давления клеточного сока, что повышает морозостойкость и холодоустойчивость растений.
• Накапливаясь в хлоропластах и митохондриях, калий способствует стабилизации их структуры и образованию АТФ,
• Увеличивает гидрофильность коллоидов протоплазмы. Это снижает транспирацию и помогает растениям выживать в периоды кратковременной засухи.
• Играет не последнюю роль в синтезе белков. Недостаток калия приводит к резкому снижению синтеза новых белковых молекул и распаду старых. Положительное влияние калия на синтез белков объясняется его влиянием на трансформацию и накопление углеводов, а также на деятельность ферментов, участвующих в синтезе белка.

Недостаток (дефицит) калия в растениях

Калиелюбивыми культурами считают сахарную и кормовую свеклу, картофель, овощи, подсолнечник. Они потребляют гораздо больше этого элемента, чем зерновые и зернобобовые культуры, лен и многолетние травы.

Дефицит калия вызывает множественные нарушения обмена веществ у растений: ослабляет деятельность целого ряда ферментов, нарушает белковый и углеводный обмен, повышает затрату углеводов на дыхание.

При этом, репродуктивность растений падает, а качество продукции снижается. При недостатке калия зерновые образуют щуплое зерно, снижается всхожесть и жизнеспособность семян. Ухудшается прочность соломины, что приводит к полеганию хлебов.

Дефицит калия приводит к уменьшению содержания крахмала в картофельных клубнях, сахарозы – в корнеплодах сахарной свеклы, пектина – в ягодах и плодах. Падает урожайность овощных, плодовых и зерновых культур, снижается содержание витаминов. При дефиците калия растения становятся восприимчивы к различным заболеваниям, в том числе, грибковым.

Признаки дефицита калия появляются не только при его низком содержании в почвах, но и при нарушении баланса питательных веществ, избытке азота, повышенной или пониженной влажности почвы, известковании. Резче всего признаки калийного голодания проявляются в сухую и жаркую погоду.

Избыток калия

Избыточное калийное питание приводит к неравномерности созревания культур, их полеганию, снижению сопротивляемости грибковым заболеваниям и неблагоприятным климатическим условиям.

На ранних стадиях при избытке калия наблюдается ослабление роста растений, удлинение междоузлий. Листья приобретают светло-зеленую окраску. На поздних стадиях рост растений замедляется, на листьях появляются пятна, они вянут и опадают.

Содержание калия в различных соединениях

Калийсодержащие минералы промышленного значения

Для производства калийных удобрений используют калийные соли. Добывают их в промышленных месторождениях по всему миру. Однако только небольшая часть из 120 калийсодержащих минералов имеет промышленное значение. К таковым относятся:

• сильвинит – nNaCl + mКС, с содержанием K₂O от 15 до 25 %;
• карналлит – КСl • MgCl • 6Н₂O – 17 % K₂O;
• каинит – КСl • MgSO₄ • 3H₂O – 19 % K₂O;
• шенит – K₂SO₄ • MgSO₄ • 6H₂O – 23 % K₂O;
• лангбейнит – K₂SO₄ • 2MgSO₄ – 23 % K₂O;
• алунит – (К, Na)₂SO₄ • Al₂(SO₄)₃ • 4Аl(ОН)₃ – 23 % K₂O;
• полигалит – K₂SO₄ • MgSO₄ • 2CuSO₄ • 2Н₂O – 16 % K₂O;
• нефелин – (К, Na)₂O • Аl₂O₃ • 2SiO₂ – 6–7 % K₂O.