Поскольку это вещество довольно редко встречается в природе, но при этом обладает значительным промышленным значением, всем известным методам получения K2SO4 уделяется значительное внимание. В частности, основные методы синтеза этого соединения в промышленности основываются на реакциях обмена между хлоридом кальция и солями серной кислоты.
Сульфат калия: свойства, формула, применение
Сульфат калия является неорганическим соединением, представляющим собой калиевую соль серной кислоты и известным также как сульфат калия. Это вещество находит применение в самых различных областях, включая фармацевтику, косметику, пищевую промышленность, а также в качестве удобрения в садоводстве и огородничестве. Данное соединение известно как хорошее бесхлорное удобрение, которое активно используется для восполнения запасов калия, особенно в тех случаях, когда растения испытывают нехватку этого важного макроэлемента. В рамках пищевой промышленности оно имеет код E515 и добавляется в продукты как стабилизатор и эмульгатор, что способствует продлению срока хранения и улучшению текстуры продуктов, что также может служить заменой хлору в некоторых случаях.
- Что такое сульфат калия, формула
- Химические свойства, реакции с сульфатом калия
- Производство и получение
- Воздействие на организм и на сельскохозяйственные культуры
- Полезные свойства
- Вред
- Применение сульфата калия в сельском хозяйстве как удобрение
- Применение сульфата калия в медицине
- Применение сульфата калия в пищевой промышленности и косметологии
С точки зрения химических свойств, сульфат калия демонстрирует сходство с другими средними солями, которые образуются из сильных металлов и остатков серной кислоты. Он способен вступать в различные реакции с простыми веществами, например, с водородом:
Данная реакция протекает при высокой температуре (до +600 °C) с использованием катализатора, которым в данном случае является оксид железа (Fe2O3), в результате чего выделяется вода и образуются кристаллы моносульфида калия. Кроме того, он также может реагировать с чистым углеродом при температуре +900 °C, что сопровождается выделением монооксида углерода – вещества, которое также играет важную роль в различных химических реакциях:
Сульфат калия способен реагировать с множеством сложных соединений. Большое количество атомов калия приводит к образованию кислых солей – это соли, содержащие два типа катионов (положительно заряженных ионов). В частности, он реагирует с концентрированной серной кислотой:
Помимо вышеуказанного, сульфат калия также вступает в реакции с сильными основаниями, такими как гидроксид бария:
В результате этого взаимодействия образуется нерастворимый белый осадок сульфата бария, а также выделяется гидроксид калия. Как и многие другие соли серной кислоты, сульфат калия взаимодействует с растворимыми солями бария, например, с хлоридами, в результате чего в осадок выпадает хлорид калия.
Процесс выпадения нерастворимой белой соли бария в ответ на реакцию с растворимым хлоридом бария может служить качественной реакцией для сульфата калия.
Сульфат калия взаимодействует и с оксидами:
Такое взаимодействие приводит к образованию пирувата калия, сложного неорганического соединения, что демонстрирует многообразие реакций с участием данного сульфата.
Производство и получение
Сульфат калия может быть получен различными методами, как в лабораторных условиях, так и в промышленности. В основном он образуется в результате реакции оксида калия с серной кислотой:
В этом случае в ходе реакции выделяется вода как побочный продукт. Другим способом получения является взаимодействие оксида калия с сульфитным ангидридом:
Тем более, сульфат калия также можно синтезировать путем смешивания разбавленной серной кислоты и гидроксида калия:
Еще одним методом является разложение неустойчивой соли угольной кислоты более сильной кислотой, что также может привести к образованию сульфата калия:
Кроме того, возможно получение сульфата калия путем разложения кислой калиевой соли гидросульфата при температуре +240 °C:
Гидросульфат калия может быть использован в качестве исходного вещества для получения сульфата калия через добавление сильной щелочи, что делает данный метод эффективным в лабораторных условиях:
Прокаливание сероводорода калия в сочетании с хлоридом калия при температуре, достигающей около +500 °C, также может использоваться для получения данного сульфата. В процессе реакций оседает сульфат калия, а соляная кислота выпаривается:
Химики также знают, что это соединение может образовываться в результате окисления моносульфида калия кислородом, что происходит при нагревании до 700 °C:
Пероксид калия широко используется как реагент для синтеза сульфата калия. Например, его можно обработать нагреванием до +140 °C с чистой серой:
Кроме того, пероксид может реагировать с сернистым газом, в результате чего также образуется сульфат калия:
Получение калиевой соли серной кислоты возможным путем кипячения твердого хлорида калия с концентрированной серной кислотой. Данная реакция позволяет успешно соединить два химических вещества:
Сульфат калия может также быть выработан в ходе термического разложения сульфата калия.
При этом взаимодействии выделяется сульфат калия при температуре около +600 °C.
Еще один лабораторный метод получения сульфата калия включает окисление серы бромидом калия:
В данной реакции, когда происходит взаимодействие аммониевой соли серной кислоты с гидроксидом калия, образуется сульфат калия, а побочными продуктами в этом случае могут стать аммиак и вода:
Хоть лабораторные методы и интересны, на практике они не используются в промышленности из-за своей сложности и низкой эффективности. В некоторых случаях природный минерал лангбейнит обжигают с углем. В результате такого процесса образуется газовая смесь, состоящая из двуокиси серы и углекислого газа, при этом выделяется также магний:
Однако извлечение данного вещества из минерала может оказаться не всегда экономически оправданным, так как перерабатывающие заводы должны располагаться в непосредственной близости к месторождениям. В процессе переработки хлорида калия с концентрированной серной кислотой также возможно получение чистого сульфата калия, но такая технология требует высокой квалификации рабочей силы и использования современных систем безопасности, поскольку работа с концентрированной серной кислотой должна осуществляться в защитной одежде и под действием мощных токов. Следует отметить, что одним из побочных продуктов, образующихся при этой реакции, является хлористый водород, который представляет сильную токсичную опасность.
Наиболее распространенным промышленным способом получения этого вещества является обработка хлорида калия сульфатами магния, натрия, железа или кальция. Например, сульфат калия может быть получен путем взаимодействия хлорида калия с природным сульфатом магния, который известен как соль Эпсома (MgSO4∙7H2O). Данный процесс можно разбить на несколько этапов:
- Первым шагом является искусственное получение минерала шёнита (K2SO4∙ MgSO4∙6H2O) путем взаимодействия хлорида калия с сульфатным минералом — эпсомитом.
- После этого полученный раствор, насыщенный шёнитом, подается в реактор, где выпаривается примерно 20% воды. На этом этапе из раствора отделяются твердые соли, которые затем попадают в отстойник, а позже проходят центрифугирование, что завершает процесс выделения.
- Шенитовый щёлок, образующийся в результате всех операций, сливается, а оставшийся шёнит обрабатывается хлоридом калия, что приводит к образованию желаемого сульфата калия.
- Маточный раствор, содержащий как хлорид калия, так и шёнит, отправляется обратно на переработку, что позволяет оптимизировать процесс и уменьшить отходы.
Физические и химические свойства
В природе сульфат калия встречается в виде твердого бесцветного кристалла, обладающего плотностью 2,66 г/см³. Его температура плавления составляет +1074 °C, а температура кипения – +2000 °C, что свидетельствует о высокой термостойкости вещества.
Физические характеристики
- Растворимость в воде (измеряется в г на 100 г воды):
- при 0°C – 7,35 г,
- при +20°C – 11,1 г,
- при +40°C – 14,8 г,
- при + 100°C – 24,2 г.
На сегодняшний день промышленность производит три различных типа сульфата калия: химически чистый, чистый для анализа и стандартный. Массовая доля сульфата калия в этих видах составляет 99 %, 98 % и 97 % соответственно.
В то же время, массовая доля нерастворимых в воде примесей соответствует 0,005 %, 0,010 % и 0,020 % в зависимости от класса чистоты. pH раствора препаратов с массовой долей 5 % устанавливается в рамках 5,5-8 для всех указанных типов сульфата калия.
Содержание различных примесей стандартизируется в зависимости от типа удобрения следующим образом: Нитрат — 0,001 — 0,004 %, аммонийные соли — 0,001 — 0,004 %, хлорид — 0,0005 — 0,0020 %, железо — 0,0002 — 0,0010 %, мышьяк — 0,00005 — 0,00040 %, натрий — 0,05 — 0,15 %, кальций — 0,005 — 0,020 %, тяжелые металлы — 0,0005 — 0,0020 %.
Важно отметить, что сульфат калия не является гигроскопичным и не прилипает к окружающим веществам, что делает его удобным для хранения и применения в различных промышленных условиях.
Удобрение на основе сульфата калия используется в различных агрономических практиках, что подтверждается его эффективностью и распространенностью в сельском хозяйстве.
Применение
Сельское хозяйство
Сульфат калия активно применяется в качестве удобрения, особенно для хлорофобных растений (растений, чувствительных к хлоридным соединениям), как в закрытом, так и в открытом грунте. Благодаря своим свойствам, его можно использовать в качестве серного удобрения, что также является важным фактором при обработке почвы.
В России зарегистрированы и разрешены к использованию разные марки сульфата калия в качестве удобрений, соответствующие наиболее современным агрономическим требованиям и практикам.
Промышленность
В промышленном производстве сульфат калия находит применение при изготовлении квасцов и других химических соединений, содержащих калий. Он также используется в качестве одного из компонентов наполнителей в производстве стекла, где его добавление способствует улучшению свойств конечного продукта.
Дневник подачи заявок на использование сульфата калия в различных областях также документируется, что покрывает временные интервалы по месяцам, включая: апрель, май, июнь, июль и август.
Внесение
Сульфат калия может быть использован на всех типах почв в соответствии с существующими рекомендациями по применению калийных удобрений. При внесении в почву данный сульфат быстро растворяется в почвенном растворе и вступает в реакцию с почвенным поглощающим комплексом, что происходит путем частичного и необменного поглощения. Механизм этих реакций сопоставим для всех типов калийных удобрений и подчеркивает их эффективность в агрономии.
Сульфат калия может вноситься в почву как при основном внесении, так и в качестве удобрения для растений, особенно овощей. Он может быть использован как в помещениях, так и на открытом воздухе, как в виде раствора, применяя системы орошения, так и в сухой форме.
Клубок ионов
Структура K2SO4 считается необычайно сложной для неорганической соли. Ионы располагаются таким образом, что образуют некую подобие клубка, и в визуальном восприятии не проявляют никакой четкой периодичности.
Специалисты в области кристаллографии могут рассматривать эту структуру с более научной точки зрения, уделяя внимание её форме с трех пространственных осей.
Тем не менее, запутанная структура может объяснить, почему K2SO4 не образует гидридов: H2 со временем может не обладать способностью проникать в кристаллическую решетку с целью гидратации катионов калия.
К тому же, учитывая большое количество взаимодействий, которое происходит в пределах ионной сферы, можно предположить, что такая кристаллическая решетка будет достаточно термостойкой. Это и на самом деле так, поскольку температура плавления K2SO4 составляет 1069 ºC, что в свою очередь указывает на крепкую связь между ионами.
Состав
Сульфат калия синтезируется в результате реакции хлорида калия с серной кислотой. В процессе данного синтеза можно выделить два основных этапа. На первой стадии реакции происходит образование дисульфата калия.
Эта реакция является экзотермической, то есть выделяет тепло, что делает её самоподдерживающейся и не требует внешнего подогрева. Данная реакция достаточно успешно протекает при комнатной температуре.
На второй стадии реакции происходит эндотермическая реакция, которая требует подводимого тепла для ее активирования и полноценного завершения процесса синтеза.
Четвертый способ
Сульфат калия также может быть получен путем экстракции сульфата калия, содержащегося в рассоле бассейна Луп-Нур, расположенном в Китае. При этом сульфат калия отделяется от нерастворимых компонентов рассола путем добавления кислотообразующего соединения, такого как триполифосфат натрия/фосфат мочевины.
Это специфическое соединение увеличивает разницу в растворимости сульфата калия по сравнению с растворимостью других плохо растворимых соединений. Это позволяет достичь практически 100 % чистоты сульфата калия, как утверждают разработчики этого метода. Важным аспектом является то, что это не столько метод синтеза, сколько новая технология экстракции, что открывает возможности для получения данного ценного вещества в экологически чистых условиях.
