Kalium
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||||||||||||
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Kalium, (von Kali aus arab. القلية , al-qalya, "Pflanzenasche") ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol K und der Ordnungszahl 19. Im Periodensystem steht es in der ersten Hauptgruppe und zählt zu den Alkalimetallen.
Geschichte
Am 19. November 1807 berichtete Humphry Davy vor der Royal Society in London, es sei ihm gelungen, durch Elektrolyse von schwach angefeuchteten Ätzalkalien zwei verschiedene Metalle zu gewinnen; das eine, am 6. Oktober 1807 erstmals gewonnene, Metall nannte er Potassium (= englische und französische Bezeichnung für Kalium), weil man es aus Pottasche gewinnen kann, das andere, wenige Tage später erstmals gewonnene, Sodium (die noch heute geltende französische und englische Bezeichnung für Natrium), weil es in den verschiedenen Modifikationen von Natriumcarbonat (Soda) enthalten ist. Im deutschen Sprachraum wird das Sodium Davys seit 1811 nach einem Vorschlag von Berzelius als Natrium bezeichnet, während man für das Potassium Davys den von Klaproth 1796 eingeführten Ausdruck Kalium (von arab. القَليَه al-qalya = Asche, aus Pflanzenasche gewinnbar) übernahm.
Vorkommen
| Eigenschaften | |
|---|---|
| Allgemein | |
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Kalium, K, 19 |
| Serie | Alkalimetalle |
| Gruppe, Periode, Block | 1, 4, s |
| Aussehen | silbrig weiß |
| CAS-Nummer | 7440-09-7 |
| Massenanteil an der Erdhülle | 2,41 % |
| Physikalisch | |
| Aggregatzustand | fest |
| Kristallstruktur | kubisch raumzentriert |
| Dichte | 0,856 g/cm3 (20 °C) |
| Mohshärte | 0,4 |
| Magnetismus | paramagnetisch (χm = 5,7 · 10-6) |
| Schmelzpunkt | 336,53 K (63,38 °C) |
| Siedepunkt | 1032 K (759 °C) |
| Molares Volumen | 45,94 · 10-6 m3/mol |
| Verdampfungswärme | 76,9 kJ/mol |
| Schmelzwärme | 2,334 kJ/mol |
| Schallgeschwindigkeit | 2000 m/s bei 293,15 K |
| Spezifische Wärmekapazität | 757,8 J/(kg · K) |
| Elektrische Leitfähigkeit | 14,3 · 106 A/(V · m) |
| Wärmeleitfähigkeit | 100 W/(m · K) |
| Chemisch | |
| Oxidationszustände | 1 |
| Oxide (Basizität) | K2O (stark basisch) |
| Normalpotential | -3,5 V (K++ e− → K) |
| Elektronegativität | 0,82 (Pauling-Skala) |
Kalium kommt in der Natur nur als Kation in Kaliumverbindungen vor. Das liegt daran, dass es nur ein Außenelektron besitzt und dieses sehr bereitwillig abgibt, um eine stabile und energiearme äußere Elektronenschale zu erlangen. Kovalente Kaliumverbindungen sind daher nicht bekannt. Im Meerwasser liegt die durchschnittliche Konzentration bei 399,1 mg K+/kg = 408,4 mg K+/l.
Natürlich vorkommende kaliumhaltige Minerale sind:
- Sylvin — KCl
- Sylvinit — KCl · NaCl
- Carnallit — KCl· MgCl2 · 6 H2O
- Kainit — KCl· MgSO4 · 3 H2O
- Schönit — K2SO4 · MgSO4 · 6 H2O
- Polyhalit — K2SO4 · MgSO4 · MgSO4 · 2 CaSO4
- Orthoklas (Kalifeldspat) — K[AlSi3O8]
- Muskovit (Kaliglimmer) — KAl2(OH,F)2[AlSi3O10]
2010 wurde Kalium in der Atmosphäre der Exoplaneten XO-2b und HD 80606 b detektiert.
Gewinnung und Darstellung
Die Herstellung von metallischem Kalium kann nach mehreren Verfahren erfolgen. Genutzt wurden elektrolytische Verfahren wie das Degussa-Verfahren oder ein thermisches Verfahren der I.G. Farbenindustrie AG, Werk Griesheim. Das meiste Kalium wird jedoch nach dem MSA-Verfahren der Mine Safety Appliances Co. hergestellt.
Grundlegende Reaktion des in den 1950er-Jahren eingeführten MSA-Verfahrens ist die Reduktion des Ausgangsstoffes Kaliumchlorid durch metallisches Natrium bei 870 °C und anschließender Abdestillation des Kaliums aus dem entstandenen Natrium-Kalium-Gemisch.
Durch Variation der Destillationsparameter sind auch handelsübliche NaK-Legierungen zugänglich.
Eigenschaften
Analog den anderen Alkalimetallen reagiert Kalium mit vielen anderen Elementen und Verbindungen oft sehr heftig, insbesondere mit Nichtmetallen, und kommt in der natürlichen Umwelt nur in gebundener Form vor. Es ist reaktionsfreudiger als Natrium. Kalium reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Kaliumhydroxid und Freisetzung von Wasserstoff. Aufgrund der stark exothermen Reaktion entzündet sich der Wasserstoff bei Luftzutritt. Hierbei kann es zu Verpuffungen und Explosionen kommen. In trockenem Sauerstoff verbrennt das Metall mit intensiver violetter Flamme zu Kaliumhyperoxid KO2 und Kaliumperoxid K2O2. An feuchter Luft reagiert es sehr rasch mit Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Kaliumcarbonat unter Wasserstoffbildung. In flüssigem Ammoniak ist Kalium, wie alle Alkalimetalle, unter Bildung einer blauvioletten Lösung gut löslich. Mit den Halogenen Brom und Iod in flüssiger oder fester Form setzt sich Kalium explosionsartig zu den entsprechenden Halogeniden um.
Zur Entsorgung von Kalium wird meist das vorsichtige Einbringen kleiner Stücke des Metalls in einen großen Überschuss an tert-Butylalkohol empfohlen, mit dem es unter Bildung des Alkoholats und Wasserstoff reagiert. Da diese Reaktion recht langsam verläuft, kann es passieren, dass unbemerkt kleine, mit einer Kruste von Kalium-tert-butanolat umhüllte Kaliumreste übrigbleiben. Daher muss sorgfältig auf die Vollständigkeit der Reaktion geachtet werden. Alternativ kann man für kleine Kaliummengen auch 1-Butanol verwenden, das mit dem Kalium zwar schneller, aber dennoch kontrollierbar reagiert. Keinesfalls sollten "niedrigere" Alkohole (Propanole, Ethanol oder Methanol) verwendet werden, da diese zu heftig mit Kalium reagieren und zudem leichter entzündlich sind.
An der Luft überzieht sich die silberweiß glänzende Schnittfläche des frischen Metalls innerhalb von Sekunden mit einer bläulich schimmernden Schicht aus Oxid und Hydroxid und ein wenig Carbonat. An der Luft stehengelassen reagiert es wie alle Alkalimetalle langsam vollständig zum Carbonat. Metallisches Kalium wird deshalb unter organischen Flüssigkeiten, die kein Wasser enthalten, wie etwa Paraffinöl aufbewahrt. Im Gegensatz zu Natrium kann Kalium bei längerer Lagerung dennoch Krusten aus Oxiden, Peroxiden und Hydroxiden bilden, die das Metall in Form rötlich-gelber Schichten überziehen und die bei Berührung oder Druck explodieren können. Eine sichere Entsorgung ist dann nicht mehr möglich, hier bietet sich nur noch der Abbrand des kompletten Gebindes unter kontrollierten Bedingungen an.
Mit Natrium werden in
einem weiten Konzentrationsbereich bei Raumtemperatur flüssige Gemische
gebildet. Das Phasendiagramm zeigt eine bei 7 °C inkongruent schmelzende
Verbindung Na2K und ein Eutektikum bei -12,6 °C mit
einem Natriumgehalt von 23 %w.
Verwendung
Kalium ist in einigen schnellen Brütern in Form einer eutektischen Na-K-Legierung als Kühlflüssigkeit eingesetzt worden. Ansonsten hat metallisches Kalium nur geringe technische Bedeutung, da es durch das billigere Natrium ersetzt werden kann.
Im Forschungslabor wird Kalium gelegentlich zur Trocknung von Lösungsmitteln eingesetzt, besonders wenn der Siedepunkt des Lösungsmittels über dem Schmelzpunkt des Kaliums, aber unter dem Schmelzpunkt von Natrium liegt. Dann liegt das Kalium im siedenden Lösungsmittel geschmolzen vor und seine Oberfläche verkrustet nicht. Man benötigt somit deutlich weniger Alkalimetall und es kann fast völlig beim Trocknungsprozess verbraucht werden, so dass nur sehr kleine Reste entsorgt werden müssen.
Kalium entwickelt beim langen Stehenlassen auch unter Schutzflüssigkeit (Petroleum) Krusten von Peroxoverbindungen (K2O2 und KO2), die sehr brisant reagieren. Bereits durch geringen Druck, insbesondere beim Herausheben von Kaliumstücken mit einer Zange oder beim Versuch des Schneidens mit dem Messer, können diese Peroxoverbindungen Explosionen auslösen. Als Gegenmaßnahmen empfehlen sich entweder das Einschmelzen in Glasampullen oder ein Lagern unter Schutzflüssigkeit und Inertgas. Weiterhin dürfen halogenierte Lösemittel keinesfalls mit Kalium getrocknet werden. Hier besteht ebenfalls Explosionsgefahr! Auch ist bei Lösemitteln, die leicht Sauerstoff abgeben können, größte Vorsicht geboten.
- Dotierung von Wolframdrähten zur Herstellung von Glühlampenwendeln
- NaK Wärmelegierung
- In Form von Kaliumhyperoxid KO2 als Kaliumluftfilter unter anderem auf U-Booten zur Atemluftregenerierung im Einsatz
Biologische Bedeutung
Bedeutung als Düngemittel
Wasserlösliche Kaliumsalze werden als Düngemittel verwendet, da Pflanzen die im Boden vorkommenden Kaliumsilicate schlecht aufschließen können.
Die Wirkung des essentiellen Makronährstoffes Kalium in den Pflanzen ist vielfältig. Im Xylem dient es als Osmotikum welches für den Aufbau des Wurzeldrucks entscheidend ist. Kalium in den Blattzellen erhöht den Turgor, was zu einer Zellstreckung und Blattflächenwachstum führt. Auch sorgt es über die Erhöhung des Turgors für eine Öffnung der Stomata, was die CO2-Aufnahme begünstigt und somit direkten Einfluss auf die Photosyntheseleistung hat. Ist Kalium in ausreichenden Mengen vorhanden, fördert es in einem ersten Schritt die Bildung von C3-Zuckern, die in weiteren von Kalium beeinflussten Stoffwechselprozessen zu Stärke, Zellulose, Lignin und Proteinen verarbeitet werden. Pflanzen, die unter Kaliummangel leiden, weisen vornehmlich an den älteren Blättern Symptome auf. Kalium wird aus ihnen retransloziert und über das Phloem in junge Blätter transportiert. Typische Symptome eines Kaliummangels sind Punkt-, Interkostal- und Blattrandchlorosen sowie Blattrandnekrosen. Auch kommt es zu einem gestauchten Habitus und gegebenenfalls zur Welketracht. Bei starker Sonneneinstrahlung kann es zur Photooxidation in den Blättern kommen. Ein stärkerer Überschuss bewirkt Wurzelverbrennungen und Calcium- beziehungsweise Magnesium-Mangel.
Kalium ist der Gegenspieler von Calcium — beide Nährelemente müssen also in einem richtigen Verhältnis zueinander in der Pflanze und im Boden vorhanden sein.
Wichtige kaliumhaltige Düngemittel:
- Kornkali mit MgO
- Patentkali
- Kaliumsulfat
- Flory
- Nitrophoska
- Kaliphosphat
- Kalinitrat
Bedeutung für den menschlichen Körper
Kalium ist ein essentieller Mineralstoff, der tägliche Bedarf des Menschen liegt bei ungefähr zwei Gramm. Kaliumreiche Lebensmittel sind unter anderem Pilze, Bananen, Datteln, Bohnen, Chilies, Käse, Spinat und Kartoffeln, in denen es mit rund 0,4 g Kalium/100 g Lebensmittel vorkommt.
Bedeutung des Natrium/Kalium-Verhältnisses
Im Körper spielt Kalium eine herausragende Rolle bei der Regulation des Membranpotentials. Die intrazelluläre Kaliumkonzentration liegt bei ungefähr 150 mmol/l, extrazellulär finden sich 4 mmol/l. Die Konzentration an Natrium liegt intrazellulär bei rund 10 mmol/l, extrazellulär bei 140 mmol/l. Diese Konzentrationsunterschiede werden durch die Na/K-ATPase aufrecht erhalten und sind für die Funktion der Zelle lebenswichtig. Ein dauerhaftes Verschieben dieser zellulären Konzentrationen kann bei erhöhter K+-Konzentration (Hyperkaliämie), das heißt K+ >> 4,5 mmol/l, zu Herzstillstand in Systole führen. Bei Hypokaliämie, (K+ < 3,5 mmol/l): Abnahme der Kontraktionsfähigkeit der Muskeln, erhöhte Erregung, Störung der Erregungsleitung, Extrasystolen des Herzens. K+ ist entscheidend (neben Na+) für den osmotischen Druck der Zellen, das heißt für den Wassergehalt der Zelle. Zu geringe K+-Konzentration im Blut führt zu Herzstillstand in Diastole. Normbereich im Serum: 3,6-4,5 mmol/l, im Harn: 26-123 mmol/l. Das heißt, es wird ständig K+ verloren und muss mit der Nahrung ersetzt werden, was aber kein Problem ist.
Kalium ist der natürliche Gegenspieler von Natrium, und ein ausgewogenes Verhältnis der beiden Mineralien ist für die Regulation physiologischer Prozesse besonders wichtig. Eine exzessive Natriumzufuhr kann zur Kaliumverarmung führen. Umgekehrt hat Kalium einen natriuretischen Effekt. Insofern ist das Na/K-Verhältnis in der Nahrung entscheidender als die Konzentration der einzelnen Kationen für sich allein. Die WHO empfiehlt ein molares Verhältnis der beiden Mineralstoffe von 1:1. Diesem Verhältnis werden die WHO-Empfehlungen von weniger als 2 g Natrium pro Tag und mindestens 3,5 g Kalium pro Tag gerecht.
Kalium gehört zu den wichtigsten Elektrolyten der Körperflüssigkeit und ist für die Steuerung der Muskeltätigkeit mitverantwortlich. Bei Leistungssportlern kann es durch übermäßiges Ausschwitzen von Kalium zu Krämpfen und Erschöpfungszuständen kommen.
Empfohlene und tatsächliche Kaliumzufuhr
Zur Aufrechterhaltung aller lebenswichtigen physiologischen Prozesse wird geraten, mindestens 2 g Kalium täglich zu sich zu nehmen.
Das Food and Nutrition Board (FNB) der USA und Kanada erachtet allerdings unter präventiven Aspekten für alle Erwachsenen eine Einnahme von 4,7 g/Tag
(120 mmol/Tag) als angemessen. Diese Kaliummenge (aus der Nahrung) ist aufgrund neuer Erkenntnisse erforderlich, um chronischen Erkrankungen wie
erhöhtem Blutdruck,
Kochsalzsensitivität, Nierensteinen, Verlust an Knochenmasse oder Schlaganfällen vorzubeugen bzw. sie zu vermindern oder zu verzögern.
Laut der Nationalen Verzehrsstudie II (NVS II) liegt die Kaliumzufuhr in Deutschland im Median bei 3,1 g/Tag (Frauen) bzw. 3,6 g/Tag (Männer).
Von 75 % der Männer und 90 % der Frauen wird die vom FNB empfohlene Zufuhr von 4,7 g Kalium pro Tag nicht erreicht.
Radioaktivität
Kalium besteht zu 0,012 % aus dem radioaktiven Isotop 40K und hat daher eine spezifische Aktivität von 31.200 Becquerel pro Kilogramm. Fast 10 % der natürlichen radioaktiven Belastung eines Bundesbürgers werden durch körpereigenes Kalium verursacht (0,17 mSv/a zu 2,1 mSv/a).
Der Zerfall von 40K zu 40Ar und 40Ca kann auch zur Altersbestimmung mittels Kalium-Argon-Datierung verwendet werden.
Kaliumnachweis
Neben dem spektroskopischen Nachweis kann man in Wasser gelöste Kaliumionen potentiometrisch mit ionenselektiven Elektroden nachweisen. Die meisten Kaliumelektroden nutzen die spezifische Komplexierung von Kalium durch Valinomycin C54H90N6O18, welches in einer Konzentration von etwa 0,7 % in eine Kunststoffmembran eingebettet ist.
Ein qualitativer Kaliumnachweis ist mittels Perchlorsäure möglich. Es bildet sich das in der Kälte in Wasser schwer lösliche Kaliumperchlorat als weißer Niederschlag.
Quantitativ lässt sich Kalium mit Hilfe der Gravimetrie bestimmen. Hierbei wird Kalium als Tetraphenylborat durch Versetzen der Lösung mit Kalignost gefällt und der erhaltene Niederschlag ausgewogen.
Weitere Nachweise sind mittels Kaliumnatriumhexanitrocobaltat(III),
Kaliumhydrogentartrat(KA=3,80 · 10-4) und
Kaliumhexachloroplatinat(IV) möglich.
In der Routineanalytik (Klinische Chemie, Umweltchemie, Wasserchemie) wird Kalium bis in den Spurenbereich mit der Flammenphotometrie quantitativ bestimmt. Als Bestimmungsgrenze wird hier 100 μgefällt und der erhaltene Niederschlag ausgewogen.
Weitere Nachweise sind mittels Kaliumnatriumhexanitrocobaltat(III),
Kaliumhydrogentartrat(KA=3,80 · 10-4) und
Kaliumhexachloroplatinat(IV) möglich.
In der Routineanalytik (Klinische Chemie, Umweltchemie, Wasserchemie) wird Kalium bis in den Spurenbereich mit der Flammenphotometrie quantitativ bestimmt. Als Bestimmungsgrenze wird hier 100 μg/l genannt. In der Atomabsorptionsspektrometrie ist mit der Flammentechnik noch 1 μg/l nachweisbar, mit der Graphitrohrtechnik 0,004 μg/l.
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 27.04. 2022