Kalium

Eigenschaften
[Ar] 4s1 19 K Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Kalium, K, 19
Serie	Alkalimetalle
Gruppe, Periode, Block	1, 4, s
Aussehen	silbrig weiß
Massenanteil an der Erdhülle	2,4 %
Atomar
Atommasse	39,0983 u
Atomradius (berechnet)	220 (243) pm
Kovalenter Radius	196 pm
Van-der-Waals-Radius	275 pm
Elektronenkonfiguration	[Ar] 4s1
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 8, 1
Austrittsarbeit	2,3 eV
1. Ionisierungsenergie	418,8 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	0,856 g/cm3
Mohshärte	0,4
Magnetismus
Schmelzpunkt	336,53 K (63,38 °C)
Siedepunkt	1032 K (759 °C)
Molares Volumen	45,94 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	79,87 kJ/mol
Schmelzwärme	2,334 kJ/mol
Dampfdruck	1,06 · 10−4 Pa bei __ K
Schallgeschwindigkeit	2000 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	757 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	13,9 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	102,4 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	1
Oxide (Basizität)	K2O (stark basisch)
Normalpotential	−2,92 V (K++ e− → K)
Elektronegativität	0,82 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 38K {syn.} 7,636 min ε 5,913 38Ar 39K 93,26 % Stabil 40K 0,012 % 1,277 · 109 a β− 1,311 40Ca ε 1,505 40Ar β+ 1,505 40Ar 41K 6,73 % Stabil 42K {syn.} 12,36 h β− 3,525 42Ca 43K {syn.} 22,3 h β− 1,815 43Ca
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 39K 3/2 1,248 · 107 0,000508 9,33 41K 3/2 6,852 · 106 8,4 · 10−5 5,12
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I
F Leichtent- zündlich C Ätzend
R- und S-Sätze	R: 14/15-34
	S: (1/2-)8-45
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.

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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.: al-qali = Asche, aus Pflanzenasche gewinnbar) übernahm.

Vorkommen

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]

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 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-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 zum Carbonat. Metallisches Kalium wird deshalb unter organischen Flüssigkeiten, die kein Wasser enthalten, wie z.B. 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.

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 rund 0,4 g Kalium/100 g Lebensmittel vorkommt.^[1]

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+] >>4,5 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, 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.

Weitere Infos zur körperlichen Auswirkung von Kalium finden Sie hier: Kaliummangel (Hypokaliämie)

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 deutschen Bundesbürgers werden durch körpereigenes Kalium verursacht (0,17 mSv/a zu 2,1 mSv/a) ^[2].

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 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.

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(K_A=3,80 · 10⁻⁴) und Kaliumhexachloroplatinat(IV) möglich.

Verbindungen

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

• Kaliumbromid
• Kaliumcarbonat (Pottasche)
• Kaliumchlorat
• Kaliumchlorid
• Kaliumchromat
• Kaliumcyanid
• Kaliumdichromat
• Kaliumdihydrogenphosphat
• Kaliumfluorid
• Kaliumhydrid
• Kaliumhydrogenphosphat
• Kaliumhydroxid
• Kaliumhyperoxid
• Kaliumiodat
• Kaliumiodid
• Kalium-Natrium-Tartrat (Seignette-Salz)
• Kaliumniobat
• Kaliumnitrat
• Kaliumoxid
• Kaliumpermanganat
• Kaliumphosphat
• Kaliumpolysulfid
• Kaliumpropionat
• Kaliumsulfat
• Kaliumthiocyanat
• Kaliumhexacyanoferrat(II)
• Kaliumhexacyanoferrat(III)

Quellennachweis

1. ↑ Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
2. ↑ Bundesamt für Strahlenschutz