钾在地球上的旅程

时间:2024-11-29 13:53:01

钾与钠同属于碱性金属元素,钾的原子序数是19,也就是说原子核外有19个电子,紧挨着原子核的第一个电子层排2个电子,第二和第三个电子层排8个电子,第四个电子层只有一个电子。所以,钾原子很容易失去一个电子形成稳定结构。比如,钾极易与一个卤族原子化合成钾盐。也就是说,钾的化合价为+1价。

钾的性质如此活跃,所以它在地球上的历史与钠一样是非常复杂的。钾在地球上生成了100多种矿物,另外有好几百种矿物中也含有少量的钾元素。总的来说,钾在地壳中含量大约是2.5%。这个数据不算小了,这正说明钾是地球的主要元素。

地质史中关于钾的这部分历史是很有趣的。人们对这部分已经研究很清楚了,所以我会在接下来的篇幅中为大家详细讲一讲钾原子所经历的全部旅程。

当地下深处熔融的岩浆凝结时,熔点低的颗粒分离出来的时间要长一些,钾就属于这一类。所以地下深处最初生成的晶体里没有钾,绿色橄榄岩那种深成岩中也几乎没有钾,连作为洋底的玄武岩中钾的含量也低于0.3%。那么钾在哪里呢?其实在熔融岩浆复杂的结晶过程中,比较活跃的原子一般集中在上层,所以碱性的钾和钠就在上层岩浆中,这些岩浆生成的岩石就是我们常说的花岗岩。花岗岩在地表占的面积很大,它是漂在玄武岩上的大陆。

花岗岩在地壳深处凝结,钾在其中的含量大约是2%。花岗岩包括了好多种矿物,钾主要是含在正长石中的,我们熟知的黑云母和白云母中也有钾。在某些地方钾元素更集中,生成了一种叫作白榴石的巨大晶体白色矿物。意大利的白榴石就很多,人们会开采这种矿石提取钾和铝。可见,地球钾原子的“摇篮”便是花岗岩中的酸性熔岩。

我们知道,地球表面的酸性熔岩非常容易被水、二氧化碳或者是植物根部分泌的酸腐蚀。如果你去过圣彼得堡近郊,那么你就会看见露头的花岗岩是多么容易受到破坏,花岗岩中的矿物在风化作用下失去光泽,慢慢地只留下由纯净石英砂堆成的沙丘。长石这种矿物也会受到破坏,地面上各种作用力会把长石里的钠钾原子带走,只留下层纹状矿物独特的骨架,这种复杂的岩石叫作黏土。

从那时起,钾和钠这两个朋友便开始了自由的旅程。但是它们的路途是不一样的。钠是非常容易被水带走的,没有什么办法能把钠离子留在淤积的黏土和沉积物里。钠被江河带进大海,在海中变成氯化钠,也就是常见的食盐。但钾在海水中的含量很低,大部分的钾元素被土壤所吸收,留在了淤泥、海洋盆地、池沼和河里的沉积物里。正因为吸收了钾元素,土壤才有了神奇的效力。

著名的俄国土壤学家格德罗伊茨是第一个探索出了土壤的地球化学性质的人。他发现土壤中的某些颗粒会截留各种金属元素,特别是截留钾。所以,他指出,钾原子与肥沃的土壤之间有很强的联系。在土壤中的钾原子是那么微小,以至于植物的每个细胞都可以吸收它,而且植物在吸收了钾原子后就可以长出芽来。研究结果已经表明钾、钠,还有钙都很容易被植物根系所吸收。

没有钾,植物便不能正常生长。钾能促进植株茎秆健壮,改善果实品质,增强植株抗寒能力,提高果实的糖分和维生素C的含量。钾元素供应不足时,碳水化合物代谢会受到干扰,光合作用被抑制,而呼吸作用加强。因此,缺钾时植株茎秆柔弱,易倒伏,抗寒性和抗旱性均差;叶片也会变黄,逐渐坏死。不但植物需要钾,动物体对钾的需求量也很大。钾在人体肌肉中的含量高于钠,尤其是在大脑、肝脏、心脏和肾脏中。钾不仅可以调节细胞内渗透压和体液的酸碱平衡,参与细胞内糖和蛋白质的代谢,还有助于维持神经健康,协助肌肉正常收缩。

钾在地球上的旅程

死海海岸水晶盐海滩

钾的迁移路线不止一条。最主要的一条循环路线是从土壤开始,植物根系从土壤中吸收钾,一部分钾帮助植物生长发育,而另一部分则作为食物进入动物机体,在动植物机体死亡后,随着有机物的分解,钾又回到土壤中变成腐殖土,这时候,新生的植物又可以再一次地从土壤中吸收钾了。大部分钾走的都是土壤路线,但也有少量钾原子来到海洋,与其他盐类一起构成海水盐分。在海水中钾开始了第二条循环路线。

当由于地壳运动导致大片海洋干涸时,当海洋分出浅海、湖泊、三角港和海湾时,就会出现像黑海沿岸萨克、耶夫帕托里亚之类的盐湖。当气温很高时,湖水会大量蒸发,盐分就会沉淀出来,被海浪拍打到岸边。若湖泊干涸,则湖底就会铺满一层像发光白布似的盐。

析出盐分需要一定的过程:在湖底先结晶出来的是碳酸钙,其次是硫酸钙,然后是氯化钠,最后是含盐特别丰富的天然盐水。在这种盐水中钾盐和镁盐占的比例很大。若毒辣的阳光再把盐水晒干,那么原来白色盐层的表面便会析出白色和红色的钾盐——这便形成了钾矿床。

由于钾盐是人们非常需要的一种工业原料,所以到了这一步后,换成人类来指挥钾元素了。