K · Element 19 · Alkalimetall
Ein Metall, das so reaktiv ist, dass es von der Luft ferngehalten werden muss, und so lebenswichtig, dass keine Zelle in Ihrem Körper ohne es funktioniert.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Kalium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 227 pm — das entspricht 0,227 nm; etwa 2,2 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Kalium ist über einen Bereich von 695 K flüssig, von 337 K bis 1032 K.
Die Geschichte
Weiches Metall, das heftig mit Wasser reagiert. Lebenswichtiger Nährstoff.
Im Jahr 1807 war der 29-jährige britische Chemiker Humphry Davy von einer revolutionären neuen Technik namens Elektrolyse besessen. Bei seiner Arbeit an der Royal Institution in London hatte Davy bereits durch seine spektakulären öffentlichen Chemiedemonstrationen Berühmtheit erlangt, doch nun stand er kurz vor einer der gefährlichsten Entdeckungen der Wissenschaftsgeschichte.
Alessandro Voltas Erfindung der elektrischen Batterie im Jahr 1800 hatte völlig neue Möglichkeiten für die Chemie eröffnet. Davy erkannte, dass dieses leistungsfähige neue Werkzeug Stoffe zerlegen könnte, die sich allen früheren Analyseversuchen widersetzt hatten.
Das Ziel: Pottasche (Kaliumcarbonat), ein geheimnisvolles Alkali aus Holzasche, das Chemiker jahrhundertelang vor Rätsel gestellt hatte. War sie eine Verbindung oder ein Element? Frühere Versuche mit Hitze und chemischen Reaktionen waren vollständig gescheitert.
Der Aufbau: Davy schmolz Pottasche in einem Platinschälchen und führte Platindrähte ein, die mit einer leistungsfähigen Voltaschen Säule verbunden waren. Als elektrischer Strom durch das geschmolzene Alkali floss, geschah an der negativen Elektrode etwas Außergewöhnliches.
Der Moment der Entdeckung: „Ich werde die ekstatische Freude, die ich empfand, niemals vergessen“, schrieb Davy, „als die Kügelchen des neuen Metalls unter der Oberfläche des Alkalis aufstiegen.“ Winzige Metallkugeln erschienen, gingen jedoch bei Kontakt mit Luft sofort in leuchtend violetten Flammen auf.
Die Gefahr: Diese Metallkügelchen waren so reaktiv, dass sie explodierten, sobald sie mit Feuchtigkeit in der Luft in Berührung kamen. Davy hatte das erste Alkalimetall – Kalium – isoliert, doch der Umgang damit hätte ihn mehrmals beinahe das Leben gekostet.
Unglaubliche Eigenschaften: Davy entdeckte, dass dieses neue Metall leichter als Wasser war (es schwamm!), weicher als Wachs (er konnte es mit einem Messer schneiden) und so reaktiv, dass es zur Vermeidung einer Explosion unter Öl gelagert werden musste.
Der Name: Davy nannte es „potassium“, abgeleitet vom englischen Wort „potash“. Interessanterweise verwenden die meisten anderen Sprachen „Kalium“ (vom arabischen „qali“, was Alkali bedeutet), weshalb das Symbol „K“ lautet.
Unmittelbare Auswirkungen: Nur wenige Tage später isolierte Davy mit derselben Technik Natrium und bewies damit, dass Stoffe, die Chemiker für einfache Substanzen gehalten hatten, tatsächlich Verbindungen dieser außerordentlich reaktiven Metalle waren.
Sicherheitsprobleme: Monatelang erlitten Davy und seine Assistenten Verbrennungen und Explosionen, während sie den Umgang mit Kalium erlernten. Sie entdeckten, dass es unter flüssigem Paraffin geschnitten werden musste und niemals mit Wasser in Berührung kommen durfte (es explodiert heftig).
Vermächtnis: Davys Entdeckung revolutionierte die Chemie, indem sie bewies, dass elektrische Kräfte Stoffe zerlegen können, die zuvor als elementar galten. Dies ebnete den Weg zur Isolierung vieler weiterer Elemente und etablierte die Elektrochemie als grundlegende Wissenschaft.
Napoleons Preis: Obwohl Großbritannien und Frankreich im Krieg standen, verlieh Napoleon Davy 1808 für seine Entdeckung von Kalium und Natrium eine Goldmedaille und erklärte, wissenschaftliche Leistungen gingen über nationale Grenzen hinaus.
Moderne Bedeutung: Davys gefährliche Experimente legten den Grundstein für die moderne Elektrochemie, darunter wiederaufladbare Batterien, Galvanisieren und die Aluminiumherstellung – heute allesamt Industriezweige mit einem Umsatz von mehreren Milliarden Dollar.
Anwendungen
Kalium ist für das Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung und bildet das Rückgrat der modernen Landwirtschaft. Als einer der drei primären Makronährstoffe (N-P-K) reguliert Kalium den Wasserhaushalt, die Enzymaktivierung und die Photosynthese in Pflanzen.
Herstellung von Düngemitteln: Kaliumchlorid (KCl) wird durch Lösungsbergbau aus unterirdischen Lagerstätten gewonnen. Erhitztes Wasser löst die Salzablagerungen auf und bildet eine Sole, die an die Oberfläche gepumpt und in großen Kristallisationsbecken verdampft wird. Die entstehenden rosafarbenen Kristalle bestehen zu 95–99 % aus reinem KCl.
Verwendete Formen: Kaliumsulfat (K₂SO₄) für chloridempfindliche Nutzpflanzen wie Tabak und Kartoffeln, Kaliumnitrat (KNO₃) für hochwertige Nutzpflanzen, die sowohl Kalium als auch Stickstoff benötigen, sowie Kaliumphosphat für die Präzisionslandwirtschaft.
Herstellung von Seifen und Reinigungsmitteln: Kaliumhydroxid (KOH), auch als Ätzkali bekannt, wird durch die Elektrolyse von Kaliumchloridsole hergestellt. Dabei entsteht KOH an der Kathode und Chlorgas an der Anode. KOH erzeugt im Vergleich zu natriumbasierten Alternativen weichere und besser lösliche Seifen.
Glasindustrie: Kaliumcarbonat (K₂CO₃) wirkt bei der Glasherstellung als Flussmittel, senkt den Schmelzpunkt von Siliciumdioxid und erzeugt härteres, brillanteres Glas. Deshalb enthält hochwertiges Kristallglas häufig Kalium statt Natrium.
Herstellung von Schießpulver: Kaliumnitrat (Salpeter) dient als Oxidationsmittel in Schwarzpulver und liefert Sauerstoff für die Verbrennung. Moderne raucharme Pulver verwenden weiterhin Kaliumverbindungen, um die Abbrandgeschwindigkeit zu steuern und den Mündungsblitz zu verringern.
Chemie des Feuerwerks: Verschiedene Kaliumverbindungen erzeugen bestimmte Farben – Kaliumchlorat für leuchtendes Weiß, Kaliumperchlorat für kräftiges Rot und Kaliumaluminiumfluorid für violette Farbtöne. Das Kaliumion selbst brennt mit einer charakteristischen violetten Flamme.
Wärmeübertragungssysteme: Flüssige Kalium-Natrium-Legierungen (NaK) werden wegen ihrer hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften und ihres niedrigen Dampfdrucks bei hohen Temperaturen als Kühlmittel in Kernreaktoren und für Raumfahrtanwendungen eingesetzt.
Fotografie: Kaliumbromid und Kaliumferricyanid sind für die traditionelle Schwarz-Weiß-Fotoprozessierung unverzichtbar, da sie den Kontrast steuern und eine präzise Bildentwicklung ermöglichen.
Woher es stammt
20900 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 94 % der Elemente
Kalium ist das siebthäufigste Element in der Erdkruste (2,09 Gewichtsprozent) und damit trotz der größeren Sichtbarkeit von Natrium in den Ozeanen häufiger als Natrium. Diese Häufigkeit spiegelt die Rolle des Kaliums in den grundlegenden gesteinsbildenden Mineralen wider, aus denen unser Planet entstand.
Wichtige Mineralquellen:
Saskatchewan, Kanada: Enthält die weltweit größten Kalireserven, die vor 400 Millionen Jahren entstanden, als das Williston-Becken ein flaches Meer war. Das Bergwerk Esterhazy reicht 1 Kilometer unter die Erdoberfläche.
Totes Meer, Israel/Jordanien: Die Sole enthält 1,4 % Kalium, das durch solare Verdunstungsbecken gewonnen wird, die aufgrund unterschiedlicher Mineralkonzentrationen ein Farbenspektrum erzeugen.
Uralgebirge, Russland: Alte Evaporitlager liefern 20 % der Weltproduktion; einige Bergwerke sind seit der Sowjetzeit in Betrieb.
Carlsbad, New Mexico: Das Perm-Becken enthält umfangreiche Kalilager, die entstanden, als vor 250 Millionen Jahren ehemalige Meere verdunsteten.
Meerwasserkonzentration: Die heutigen Ozeane enthalten etwa 380 Teile Kalium pro Million, aufrechterhalten durch das Gleichgewicht zwischen dem Eintrag durch Flüsse und der Aufnahme durch Meeresorganismen und Tonminerale.
Great Salt Lake: Enthält konzentrierte Kaliumsolen, die zusammen mit Natrium und Magnesium kommerziell gewonnen werden.
Nukleosynthese: Kalium-39 entsteht durch Sauerstoffbrennen in massereichen Sternen, wenn Silicium-28 Alphateilchen einfängt. Der Prozess erfordert Temperaturen von über 1,5 Milliarden Kelvin.
Supernovaeproduktion: Kalium-40, das radioaktive Isotop, entsteht während der explosiven Nukleosynthese in Supernovae und trägt durch radioaktiven Zerfall zur inneren Wärme der Erde bei.
Meteoriten: Chondritische Meteoriten enthalten Kalium in Feldspatmineralen und liefern Hinweise auf die Zusammensetzung des frühen Sonnensystems und die Entstehung terrestrischer Planeten.
Bodenbildung: Die Verwitterung von Feldspat und Glimmer setzt Kaliumionen frei, die Pflanzen zur Verfügung stehen. Tonminerale können dieses Kalium einfangen und mit der Zeit langsam wieder freisetzen.
Aufnahme durch Pflanzen: Wurzelsysteme transportieren Kalium aktiv entgegen Konzentrationsgradienten und reichern es im Vergleich zu Bodenlösungen um das 1000-Fache an. Dieser Prozess erfordert erhebliche metabolische Energie.
Handhabung
Risikostufe: HOCH – Kaliummetall ist äußerst gefährlich und erfordert spezielle Handhabungsverfahren.
Kaliummetall: Muss unter Mineralöl oder Kerosin in verschlossenen Behältern unter inerter Atmosphäre gelagert werden. Niemals in der Nähe von Wasserquellen oder Oxidationsmitteln lagern.
Kaliumverbindungen: An trockenen, kühlen Orten fern von Säuren und Oxidationsmitteln lagern. Behälter dicht verschlossen halten, um die Aufnahme von Feuchtigkeit zu verhindern.
Anforderungen an die Trennung: Kaliumverbindungen von Ammoniumsalzen fernhalten, da diese beim Erhitzen explosive Gemische bilden können.
OSHA PEL (zulässiger Expositionsgrenzwert): Kein spezifischer Grenzwert für Kaliummetall (zu reaktiv für routinemäßige Exposition)
Kalium in der Ernährung: Erwachsene benötigen täglich 3.500–4.700 mg. Die meisten Menschen nehmen zu wenig Kalium auf (durchschnittlich etwa 2.600 mg).
Toxizitätsschwelle: Eine Hyperkaliämie (zu viel Kalium) tritt bei über 5,5 mEq/L im Blut auf und kann Herzrhythmusstörungen verursachen.
Hautkontakt mit Metall: Sofort 15 Minuten oder länger mit großen Mengen Wasser spülen. Kontaminierte Kleidung ausziehen. Bei Verbrennungen unverzüglich ärztliche Hilfe suchen.
Augenkontakt: Augen 15 Minuten oder länger mit Wasser spülen und dabei die Augenlider offen halten. Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Sofort ärztliche Hilfe suchen.
Einatmen von Staub/Dämpfen: Betroffene Person sofort an die frische Luft bringen. Bei Atembeschwerden Sauerstoff verabreichen und ärztliche Hilfe suchen.
Verschlucken: KEIN Erbrechen herbeiführen. Mund mit Wasser ausspülen. Kleine Mengen Wasser zu trinken geben. Sofort ärztliche Hilfe suchen.
Kaliumbrände: NIEMALS Wasser verwenden. Feuerlöscher der Klasse D verwenden (trockener Sand, Natriumchlorid oder spezielle Metallbrandlöschmittel).
Maßnahmen bei Verschütten: Bereich evakuieren. Raum belüften. Verschüttetes Kalium mit trockenem Sand oder Öl abdecken. Jeglichen Kontakt mit Feuchtigkeit verhindern.
Explosionsgefahr: Wenn Kalium mit Wasser in Kontakt kommt, entsteht explosives Wasserstoffgas. Alle Zündquellen sofort beseitigen.
Schnelle Antworten
Kalium (Symbol K) ist Element 19 im Periodensystem, ein Alkalimetall in der 4, Gruppe 1. Ein Metall, das so reaktiv ist, dass es von der Luft ferngehalten werden muss, und so lebenswichtig, dass keine Zelle in Ihrem Körper ohne es funktioniert. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ar] 4s¹; sie ergibt 4 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 8, 1.Kalium schmilzt bei 336.5 K (63.4 °C) und siedet bei 1032 K (758.9 °C).
Die Standardatommasse von Kalium beträgt 39.098 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Kalium hat eine Dichte von 0.89 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher schwimmt ein Block aus Kalium.
Kalium hat eine Elektronegativität von 0.82 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Ein so niedriger Wert bedeutet, dass es seine Außenelektronen leicht abgibt und dabei positive Ionen bildet.
Kalium wurde 1807 von Humphry Davy entdeckt. Es ist nach englisch potash; das Symbol stammt vom lateinischen kalium benannt.
Kalium macht Über 2.09 % der Erdkruste aus — es gehört zu den häufigsten Elementen überhaupt.