Kalium

Eigenschappen, voorkomen en gebruik

Kaliummetaal is zacht en wit met een zilverachtige glans, heeft een laag smeltpunt, en is een goede geleider van warmte en elektriciteit. Kalium geeft een lavendelkleur aan een vlam, en zijn damp is groen. Het is het op zes na meest voorkomende element in de aardkorst en maakt 2,6 procent van de massa uit.

Het kaliumgehalte van de Dode Zee wordt geschat op ongeveer 1,7 procent kaliumchloride, en veel andere zoute waterlichamen zijn rijk aan kalium. De afvalvloeistoffen van bepaalde zoutziederijen kunnen tot 40 gram kaliumchloride per liter bevatten en worden gebruikt als bron van kalium.

Het meeste kalium is aanwezig in stollingsgesteenten, schalie en sediment in mineralen zoals muscoviet en orthoklaas veldspaat die onoplosbaar zijn in water; hierdoor is kalium moeilijk te verkrijgen. Als gevolg hiervan worden de meeste commerciële kaliumverbindingen (vaak losjes potas genoemd) verkregen via elektrolyse van oplosbare kaliumverbindingen, zoals carnalliet (KMgCl3∙6H2O), sylviet (kaliumchloride, KCl), polyhaliet (K2Ca2Mg4∙2H2O), en langbeiniet (K2Mg23), die worden gevonden in oude meerbeddingen en zeebodems.

Kalium wordt geproduceerd door natriumreductie van gesmolten kaliumchloride, KCl, bij 870 °C (1.600 °F). Gesmolten KCl wordt continu toegevoerd aan een gepakte destillatiekolom, terwijl natriumdamp door de kolom wordt geleid. Door condensatie van het vluchtiger kalium bovenin de destillatietoren wordt de reactie Na + KCl → K + NaCl naar rechts geforceerd. Pogingen om een systeem te ontwerpen voor de commerciële elektrolytische produktie van kalium hebben geen succes gehad, omdat er weinig zoutadditieven zijn die het smeltpunt van kaliumchloride kunnen verlagen tot temperaturen waarbij elektrolyse efficiënt is.

Er is weinig commerciële vraag naar kaliummetaal zelf, en het meeste ervan wordt door directe verbranding in droge lucht omgezet in kaliumsuperoxide, KO2, dat wordt gebruikt in ademhalingsapparatuur omdat het zuurstof vrijmaakt en kooldioxide en waterdamp verwijdert. (Het superoxide van kalium is een gele vaste stof bestaande uit K+en O2-ionen. Het kan ook worden gevormd door oxidatie van kaliumamalgaam met droge lucht of zuurstof). Het metaal wordt ook gebruikt als legering met natrium als vloeibaar metaal voor warmteoverdracht. Kalium reageert zeer heftig met water, waarbij waterstof vrijkomt (dat ontbrandt) en een oplossing van kaliumhydroxide, KOH, wordt gevormd.

Natrium-kaliumlegering (NaK) wordt in beperkte mate gebruikt als een warmte-overdracht koelmiddel in sommige snelle-breeder kernreactoren en experimenteel in gas-turbine centrales. De legering wordt ook gebruikt als katalysator of reductiemiddel in organische syntheses.

Naast de legeringen van kalium met lithium en natrium zijn er ook legeringen met andere alkalimetalen bekend. Volledige mengbaarheid bestaat in de binaire systemen kalium-rubidium en kalium-cesium. Dit laatste systeem vormt een legering die smelt bij ongeveer -38 °C (-36 °F). Wijziging van het systeem door toevoeging van natrium leidt tot een ternair eutecticum dat smelt bij ongeveer -78 °C (-108 °F). De samenstelling van deze legering is 3 procent natrium, 24 procent kalium en 73 procent cesium. Kalium is in wezen onmengbaar met alle alkalische aardmetalen, en ook met zink, aluminium en cadmium.

Kalium (als K+) is nodig voor alle planten en dieren. Planten hebben het nodig voor fotosynthese, regulering van osmose en groei, en activering van enzymen. Elk dier heeft een nauwkeurig aangehouden kaliumgehalte en een relatief vaste kalium-natriumverhouding. Kalium is het primaire anorganische kation in de levende cel, en natrium is het meest voorkomende kation in de extracellulaire vloeistoffen. In hogere dieren zorgen selectieve complexanten voor Na+ en K+ op de celmembranen voor “actief transport”. Dit actieve transport brengt elektrochemische impulsen over in zenuw- en spiervezels en bij het in evenwicht brengen van de activiteit van de opname van voedingsstoffen en de verwijdering van afvalstoffen uit de cellen. Te weinig of te veel kalium in het lichaam is fataal; kalium in de bodem zorgt echter voor de aanwezigheid van dit onmisbare element in voedsel.

Het kaliumgehalte van planten varieert aanzienlijk, hoewel het gewoonlijk tussen 0,5-2 procent van het drooggewicht ligt. Bij de mens is de verhouding van kalium tussen de cel en het plasma ongeveer 27:1. Het kaliumgehalte van spierweefsel bedraagt ongeveer 0,3 procent, terwijl dat van bloedserum ongeveer 0,01-0,02 procent bedraagt. De voedingsbehoefte voor een normale groei bedraagt ongeveer 3,3 gram kalium per dag, maar de inname van meer dan 20 gram kalium leidt tot duidelijke fysiologische effecten. Overtollig kalium wordt via de urine uitgescheiden, en een aanzienlijke hoeveelheid kan verloren gaan tijdens het zweten.

Natuurlijk kalium bestaat uit drie isotopen: kalium-39 (93,26 procent), kalium-41 (6,73 procent), en radioactief kalium-40 (ongeveer 0,01 procent); er zijn ook verschillende kunstmatige isotopen bereid. Kalium-39 is normaal ongeveer 13,5 maal talrijker dan kalium-41. De natuurlijke radioactiviteit van kalium is te danken aan de bètastraling van de kalium-40-isotoop (halveringstijd 109 jaar). De desintegratie van kalium-40 wordt gebruikt in geologische ouderdomsberekeningen (zie kalium-argon datering). Kalium verliest gemakkelijk het enkele elektron 4s, zodat het gewoonlijk een oxidatietoestand +1 heeft in zijn verbindingen, hoewel verbindingen die het anion, K-, bevatten ook kunnen worden gemaakt.