Kalium

Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Kaliummetall ist weich und weiß mit silbrigem Glanz, hat einen niedrigen Schmelzpunkt und ist ein guter Wärme- und Stromleiter. Kalium verleiht einer Flamme eine lavendelfarbene Farbe, und sein Dampf ist grün. Es ist das siebthäufigste Element in der Erdkruste und macht 2,6 Prozent ihrer Masse aus.

Der Kaliumgehalt des Toten Meeres wird auf etwa 1,7 Prozent Kaliumchlorid geschätzt, und viele andere salzhaltige Gewässer sind reich an Kalium. Die Abwässer bestimmter Salinen können bis zu 40 Gramm Kaliumchlorid pro Liter enthalten und werden als Kaliumquelle genutzt.

Das meiste Kalium ist in Eruptivgestein, Schiefer und Sediment in Mineralien wie Muskovit und Orthoklas-Feldspat vorhanden, die in Wasser unlöslich sind; das macht Kalium schwierig zu gewinnen. Infolgedessen werden die meisten kommerziellen Kaliumverbindungen (oft salopp als Pottasche bezeichnet) durch Elektrolyse aus löslichen Kaliumverbindungen wie Carnallit (KMgCl3∙6H2O), Sylvit (Kaliumchlorid, KCl), Polyhalit (K2Ca2Mg4∙2H2O) und Langbeinit (K2Mg23) gewonnen, die in alten See- und Meeresböden gefunden werden.

Kalium wird durch Natriumreduktion von geschmolzenem Kaliumchlorid, KCl, bei 870 °C (1.600 °F) hergestellt. Geschmolzenes KCl wird kontinuierlich in eine Füllkörperdestillationskolonne eingespeist, während Natriumdampf durch die Kolonne nach oben geleitet wird. Durch die Kondensation des flüchtigeren Kaliums am Kopf des Destillationsturms wird die Reaktion Na + KCl → K + NaCl nach rechts erzwungen. Bemühungen, ein Schema für die kommerzielle elektrolytische Herstellung von Kalium zu entwickeln, waren erfolglos, weil es nur wenige Salzzusätze gibt, die den Schmelzpunkt von Kaliumchlorid auf Temperaturen senken können, bei denen die Elektrolyse effizient ist.

Es gibt nur wenig kommerzielle Nachfrage nach Kaliummetall selbst, und das meiste davon wird durch direkte Verbrennung in trockener Luft in Kaliumsuperoxid, KO2, umgewandelt, das in Beatmungsgeräten verwendet wird, weil es Sauerstoff freisetzt und Kohlendioxid und Wasserdampf entfernt. (Das Superoxid des Kaliums ist ein gelber Feststoff, der aus K+und O2-Ionen besteht. Es kann auch durch Oxidation von Kaliumamalgam mit trockener Luft oder Sauerstoff gebildet werden.) Das Metall wird auch in einer Legierung mit Natrium als flüssiger metallischer Wärmeträger verwendet. Kalium reagiert sehr heftig mit Wasser, wobei Wasserstoff freigesetzt wird (der sich entzündet) und eine Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) gebildet wird.

Die Natrium-Kalium-Legierung (NaK) wird in begrenztem Umfang als Wärmeübertragungs-Kühlmittel in einigen Schnellbrüter-Kernreaktoren und versuchsweise in Gasturbinenkraftwerken verwendet. Die Legierung wird auch als Katalysator oder Reduktionsmittel in der organischen Synthese eingesetzt.

Neben den Legierungen von Kalium mit Lithium und Natrium sind auch Legierungen mit anderen Alkalimetallen bekannt. Vollständige Mischbarkeit besteht in den binären Systemen Kalium-Rubidium und Kalium-Cäsium. Das letztgenannte System bildet eine Legierung, die bei etwa -38 °C schmilzt. Eine Modifikation des Systems durch die Zugabe von Natrium führt zu einem ternären Eutektikum, das bei ca. -78 °C schmilzt. Die Zusammensetzung dieser Legierung ist 3 Prozent Natrium, 24 Prozent Kalium und 73 Prozent Cäsium. Kalium ist im Wesentlichen nicht mischbar mit allen Erdalkalimetallen sowie mit Zink, Aluminium und Cadmium.

Kalium (als K+) wird von allen Pflanzen und Tieren benötigt. Pflanzen benötigen es für die Photosynthese, die Regulierung der Osmose und des Wachstums sowie die Aktivierung von Enzymen. Jedes Tier hat einen eng gehaltenen Kaliumspiegel und ein relativ festes Kalium-Natrium-Verhältnis. Kalium ist das primäre anorganische Kation innerhalb der lebenden Zelle, und Natrium ist das am häufigsten vorkommende Kation in extrazellulären Flüssigkeiten. In höheren Tieren wirken selektive Komplexbildner für Na+ und K+ an den Zellmembranen und sorgen für einen „aktiven Transport“. Dieser aktive Transport überträgt elektrochemische Impulse in Nerven- und Muskelfasern und beim Ausgleich der Aktivität von Nährstoffaufnahme und Abfallbeseitigung aus den Zellen. Zu wenig oder zu viel Kalium im Körper ist fatal; das Kalium im Boden sorgt jedoch für das Vorhandensein dieses unentbehrlichen Elements in der Nahrung.

Der Kaliumgehalt von Pflanzen variiert erheblich, liegt aber normalerweise im Bereich von 0,5-2 Prozent des Trockengewichts. Beim Menschen liegt das Verhältnis von Kalium zwischen Zelle und Plasma bei etwa 27:1. Der Kaliumgehalt des Muskelgewebes beträgt etwa 0,3 Prozent, der des Blutserums etwa 0,01-0,02 Prozent. Der Nahrungsmittelbedarf für normales Wachstum beträgt etwa 3,3 Gramm Kalium pro Tag, aber die Aufnahme von mehr als 20 Gramm Kalium führt zu deutlichen physiologischen Effekten. Überschüssiges Kalium wird mit dem Urin ausgeschieden, und eine beträchtliche Menge kann beim Schwitzen verloren gehen.

Natürliches Kalium besteht aus drei Isotopen: Kalium-39 (93,26 Prozent), Kalium-41 (6,73 Prozent) und radioaktives Kalium-40 (etwa 0,01 Prozent); es wurden auch mehrere künstliche Isotope hergestellt. Kalium-39 ist normalerweise etwa 13,5-mal häufiger vorhanden als Kalium-41. Die natürliche Radioaktivität des Kaliums ist auf die Betastrahlung des Kalium-40-Isotops (109 Jahre Halbwertszeit) zurückzuführen. Der Zerfall von Kalium-40 wird in geologischen Altersberechnungen verwendet (siehe Kalium-Argon-Datierung). Kalium verliert leicht das einzelne 4s-Elektron, so dass es normalerweise eine Oxidationsstufe von +1 in seinen Verbindungen hat, obwohl Verbindungen, die das Anion, K-, enthalten, auch hergestellt werden können.