Kalium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
³⁸K	{syn.}	7,636 min	ε	5,913	³⁸Ar
³⁹K	93,26 %	K ist stabil mit 20 Neutronen
⁴⁰K	0,012 %	1,277 · 10⁹a	β^- ε	1,311 1,505	⁴⁰Ca ⁴⁰Ar
⁴¹K	6,73 %	K ist stabil mit 22 Neutronen
⁴²K	{syn.}	12,360 h	β^-	3,525	⁴²Ca
⁴³K	{syn.}	22,3 h	β^-	1,815	⁴³Ca

NMR-Eigenschaften

	³⁹K	⁴¹K
Kernspin	3/2	3/2
gamma / rad/T	1,248 · 10⁷	6,852 · 10⁶
Empfindlichkeit	0,000508	8,4 · 10^-5
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	9,33 M Hz	5,12 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Kalium, (von Kali aus arab. al qalja „Pflanzenasche“) ist ein chemisches Element der 1. Hauptgruppe des Periodensystems mit der Ordnungszahl 19.

Geschichte

Am 19. November 1807 berichtete Davy, es sei ihm gelungen, durch Elektrolyse von schwach angefeuchteten Ätzalkalien zwei verschiedene Metalle zu gewinnen; das eine Metall nannte er Sodium (dies ist noch heute die französische und englische Bezeichnung für Natrium), weil es in Soda enthalten ist, das andere Potassium (= englische und französische Bezeichnung für Kalium), weil man es aus Pottasche gewinnen kann. Im deutschen Sprachgebiet 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.: al-qali = Asche, aus Pflanzenasche gewinnbar) übernahm.

Vorkommen

Kalium kommt in der Natur nur als Kation in Kaliumverbindungen vor. Das liegt daran, das 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 etwa 0,38 gK⁺/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]

Eigenschaften

Kalium

Analog den anderen Alkalimetallen reagiert Kalium mit vielen anderen Elementen und Verbindungen oft sehr heftig, insbesondere mit nicht-Metallen, und kommt in der natürlichen Umwelt nur in gebundener Form vor. Chemisch ist es reaktionsfreudiger als Natrium. Kalium reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Kaliumhydroxid und Freisetzung von Wasserstoff. Bei Luftzutritt entzündet sich der Wasserstoff, es kann dabei zu Verpuffungen und Explosionen kommen. In trockenem Sauerstoff verbrennt es unter violetter Flamme zu Kaliumhyperoxid KO₂ und Kaliumoxid K₂O. An feuchter Luft reagiert es 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 explosiv 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-butylat 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 zur Carbonat. Metallisches Kalium wird deshalb unter Schutzgas oder 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.

Kalium in der Ernährung

in g/kg und 87% T

Grasprodukte 25-35g

Kartoffeln 20g

Bierhefe 21g

Molken 22-25g

Milchzuckermelasse 35g

Sojaschrot 20g

Ackerbohnen 11g

Erbsen 10g

Rapskuchen 14g

Kleien 10-13g

Verwendung

Kalium wird hauptsächlich in schnellen Brütern in Form einer Na-K-Legierung als Kühlflüssigkeit eingesetzt. 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.
Achtung! Halogenierte Lösungsmittel dürfen keinesfalls mit Kalium getrocknet werden. Explosionsgefahr! Auch ist bei Lösungsmitteln, die leicht oder relativ leicht Sauerstoff abgeben können, große Vorsicht geboten!

Dotierung von Wolframdrähten zur Herstellung von Glühlampenwendeln
NaK Wärmelegierung (Siehe Natrium)
In Form von Kaliumhyperoxid KO₂ als Kaliumluftfilter ( Kalipatronen ) u.a. auf U-Booten zur Atemluftregenerierung im Einsatz

Biologische Bedeutung

Bedeutung als Düngemittel

Wasserlösliche Kaliumsalze werden überwiegend als Düngemittel verwendet, da Pflanzen die im Boden vorkommenden Kaliumsilicate schlecht aufschließen können.

Kalium erhöht die Wasseraufnahme der Pflanzenzellen, und ist 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
Hakaphos
Kaliphosphat
Kalinitrat

Bedeutung für den Körper

Kalium ist ein essentieller Mineralstoff, der tägliche Bedarf des Menschen liegt bei ungefähr 2 g. Kaliumreiche Lebensmittel sind u.a. Pilze, Bananen, Bohnen, Chilies, Käse, Spinat und Kartoffeln, in denen es mit bis zu 5 g Kalium/100 g Lebensmittel vorkommt.

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 ca. 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) d.h. [K+] >>4,5mmol/l zu Herzstillstand in Systole führen. Bei Hypokaliämie, ([K+]<3,5mmol/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, d.h. für den Wassergehalt der Zelle. Zu geringe [K+ Blut] führt zu Herzstillstand in Diastole. Normbereich im Serum: 3,6-5,4 mmol/l, im Harn: 26-123 mmol/l. D.h., es wird ständig K+ verloren und muss mit der Nahrung ersetzt werden, was aber kein Problem ist. Die in den USA zu Hinrichtungen verwendete Giftspritze enthält Kaliumchlorid, welches zu einer Lähmung der Herzmuskulatur und damit zum Tode führt.

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.

Radioaktivität

Kalium besteht zu 0,012% aus dem radioaktiven Isotop ⁴⁰K und verursacht fast 10% der natürlichen radioaktiven Belastung eines deutschen Bundesbürgers (0,17 mSv/a zu 2,1 mSv/a ^[1].

Nachweis von Kalium

Neben dem spektroskopischen Nachweis kann man in Wasser gelöste Kalium-Ionen 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.
Außerdem ist der qualitative Kaliumnachweis mittels Perchlorsäure möglich. Es bildet sich Kaliumperchlorat(K_A=1,07 x 10^-2) als weißer Niederschlag. Weiter Nachweise sind mittels Kaliumnatriumhexanitrocobaltat(III), Kaliumhydrogentartrat(K_A=3,80 x 10^-4) und Kaliumhexachloroplatinat(IV) möglich.
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.

Verbindungen

In seinen Verbindungen kommt Kalium nur als 1-wertiges Kation vor:

Quellen

↑ Bundesamt für Strahlenschutz

Weblinks

Wiktionary: Kalium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Kalium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Entsorgung von Kalium

[1] Bundesamt für Strahlenschutz

[1]