19 K カリウム 39.098
アルカリ金属 s-block Period 4 Group 1

カリウム

K · Element 19 · Alkali metals

A metal so reactive it must be kept away from air, and so essential that no cell in your body works without it.

20°Cでの状態 固体
原子量 39.098 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ar] 4s¹

構造

カリウム原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

性質一覧

各バーは、その性質についてカリウムが118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

密度 0.89 g/cm³ 10%
融点 336.5 K 19%
沸点 1032 K 25%
比熱 0.757 J/g·K
熱伝導率 102.5 W/m·K 83%

原子

原子半径 227 pm 79%
共有結合半径 203 pm
ファンデルワールス半径 275 pm

電子

電気陰性度 0.82 2%
イオン化エネルギー 418.7 kJ/mol 3%
電子親和力 48.2 kJ/mol 41%

存在

地殻中の存在度 20900 mg/kg 94%

同定

元素記号K
原子番号19
原子量39.098 u
分類アルカリ金属
ブロックs
結晶構造体心立方構造
酸化数-1, +1
発見年1807
発見者Humphry Davy

出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a カリウム atom?

Radius 227 pm — that is 0.227 nm, so about 2203 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

カリウム is liquid over a 695 K window, from 337 K to 1032 K.

位置

表での位置

カリウム sits in period 4, group 1. Everything in group 1 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER アルカリ金属

All アルカリ金属

物語

カリウムとは何か、そしてどのように発見されたか

水と激しく反応する軟らかい金属です。必須栄養素です。

The discovery of カリウム

カリウムの発見 — 危険と決意の物語

サー・ハンフリー・デービー — 大胆な化学者

1807年、29歳のイギリス人化学者ハンフリー・デービーは、電気分解と呼ばれる画期的な新技術に夢中になっていました。ロンドンの王立研究所で研究していたデービーは、劇的な公開化学実験ですでに名声を得ていましたが、科学史上最も危険な発見の一つを成し遂げようとしていました。

ボルタ電池の革命

1800年にアレッサンドロ・ボルタが発明した電池は、化学にまったく新しい可能性を開きました。デービーは、この強力な新しい道具なら、これまでの分析の試みに抵抗してきた物質を分解できるかもしれないと考えました。

標的は、何世紀にもわたって化学者を悩ませてきた、木灰から得られる謎のアルカリであるポタッシュ(炭酸カリウム)でした。それは化合物なのか、それとも元素なのか。熱や化学反応を使ったこれまでの試みは、完全に失敗していました。

1807年10月6日 — 爆発的な発見

実験の準備:デービーは白金製のスプーンでポタッシュを溶かし、強力なボルタ電池につないだ白金線を挿入しました。溶融したアルカリに電流が流れると、負極で驚くべきことが起こりました。

発見の瞬間:デービーは「私が感じた恍惚とした喜びを、決して忘れないだろう」と書き、「新しい金属の小球がアルカリの表面下から浮かび上がった」と記しました。小さな金属球が現れましたが、空気に触れるとすぐに鮮やかな紫色の光を放って燃え上がりました。

危険性:この金属球は非常に反応性が高く、空気中の湿気に触れると爆発しました。デービーは最初のアルカリ金属であるカリウムを単離しましたが、その取り扱いによって何度も命を失いかけました。

新しい金属の理解

驚くべき性質:デービーは、この新しい金属が水より軽く(浮きました)、ろうより軟らかく(ナイフで切ることができました)、爆発を防ぐために油の下で保管しなければならないほど反応性が高いことを発見しました。

名称:デービーは英語の「potash」にちなみ、この元素を「potassium」と名付けました。興味深いことに、他の多くの言語ではアラビア語の「qali」(アルカリを意味する)に由来する「kalium」が使われており、それが記号「K」の由来です。

科学革命

直後の影響:わずか数日後、デービーは同じ技術を使ってナトリウムを単離し、化学者が単純な物質だと考えていたものが、実際にはこれらの非常に反応性の高い金属の化合物であることを証明しました。

安全性をめぐる苦闘:デービーと助手たちは、カリウムの取り扱いを学ぶ間、何か月もやけどや爆発に悩まされました。カリウムは液体パラフィンの下で切らなければならず、水に触れてはならないことを発見しました(激しく爆発します)。

遺産:デービーの発見は、電気的な力によって、それまで元素だと考えられていた物質を分解できることを証明し、化学に革命をもたらしました。これにより、他の多くの元素の単離への道が開かれ、電気化学が基礎科学として確立されました。

評価と影響

ナポレオンの賞:イギリスとフランスが戦争中だったにもかかわらず、ナポレオンは1808年、カリウムとナトリウムの発見に対してデービーに金メダルを授与し、科学的業績は国境を越えるものだと宣言しました。

現代との関わり:デービーの危険な実験は、充電式電池、電気めっき、アルミニウム生産など、現在では数十億ドル規模の産業につながる現代電気化学の基礎を築きました。

用途

カリウムの用途

カリウムの産業用途

農業産業 — 植物を支える元素

カリウムは植物の成長に不可欠で、現代農業の基盤を形成しています。三大一次多量栄養素(N-P-K)の一つとして、植物の水分バランス、酵素の活性化、光合成を調節します。

肥料の製造工程:塩化カリウム(KCl)は、溶解採掘によって地下鉱床から採取されます。加熱した水で塩の鉱床を溶かし、地表へくみ上げたかん水を大規模な結晶化池で蒸発させます。得られる淡いピンク色の結晶は、95-99%純度のKClです。

使用される形態:タバコやジャガイモなど塩化物に敏感な作物には硫酸カリウム(K₂SO₄)、カリウムと窒素の両方を必要とする高価値作物には硝酸カリウム(KNO₃)、精密農業にはリン酸カリウムが使用されます。

化学製造

石けん・洗剤の製造:苛性カリとして知られる水酸化カリウム(KOH)は、塩化カリウムかん水の電気分解によって製造されます。この工程では、陰極でKOH、陽極で塩素ガスが生成します。KOHはナトリウム系の代替品と比べて、より軟らかく溶けやすい石けんを作ります。

ガラス産業:炭酸カリウム(K₂CO₃)はガラス製造で融剤として働き、シリカの融点を下げ、より硬く光沢のあるガラスを作ります。そのため、高品質のクリスタルガラス製品にはナトリウムではなくカリウムが含まれていることがよくあります。

火工品・爆薬

火薬の製造:硝酸カリウム(硝石)は黒色火薬の酸化剤として働き、燃焼に必要な酸素を供給します。現代の無煙火薬でも、燃焼速度の制御や発射炎の低減にカリウム化合物が使用されます。

花火の化学:さまざまなカリウム化合物が特定の色を作ります。塩素酸カリウムは鮮やかな白色、過塩素酸カリウムは強い赤色、フッ化アルミニウムカリウムは紫色を生じます。カリウムイオン自体は特徴的な紫色の炎を出して燃えます。

特殊な産業用途

熱伝達システム:液体のカリウム・ナトリウム合金(NaK)は、優れた熱伝達性と高温での低い蒸気圧により、原子炉や宇宙用途の冷却材として使用されます。

写真:臭化カリウムとフェリシアン化カリウムは、従来の白黒写真の現像で重要な役割を果たし、コントラストを調整して正確な画像現像を可能にします。

実生活でのカリウムの用途

健康と栄養

  • 栄養補助食品:グルコン酸カリウム、クエン酸カリウム、塩化カリウムの錠剤(NOW Foods、Nature Madeなどのブランド)
  • スポーツドリンク:Gatorade、Powerade、BodyArmorにはカリウム電解質が含まれています
  • 食塩代替品:Morton Salt Substitute、NoSalt(ナトリウムの代わりに塩化カリウムを使用)
  • バナナの力:中程度のバナナ1本には422mgのカリウム(1日の摂取基準値の12%)が含まれます
  • 医療用途:高血圧や心疾患の患者に処方されます

家庭用品

  • 軟水化装置:塩化カリウムのペレット(Morton、Diamond Crystalブランド)
  • ベーキング:酒石(酒石酸水素カリウム)—卵白を安定させ、砂糖の結晶化を防ぎます
  • 食品保存:ソルビン酸カリウム(E202)はチーズ、ワイン、ドライフルーツのカビを防ぎます
  • 融氷:環境に配慮した塩化カリウム系融氷剤(Safe Step、Mortonブランド)

園芸と農業

  • 肥料:Miracle-Gro、Scotts、Osmocoteには開花と結実のためのカリウムが含まれています
  • 有機栽培の選択肢:海藻ミール、木灰、花こう岩粉は天然のカリウムを供給します
  • 水耕栽培:土を使わない栽培システム向けの正確な硝酸カリウム溶液
  • 芝生管理:カリウムを多く含む秋用肥料は、冬のストレスに備えて芝を整えます

ラボと科学

  • 炎色反応:カリウムは元素の識別に使える特徴的な紫色の炎を示します
  • 緩衝液:リン酸カリウム緩衝液は生物学実験でpHを維持します
  • 細胞培養:培地中の塩化カリウムは細胞の浸透圧を維持します
  • 分析化学:過マンガン酸カリウムは滴定で強い酸化剤として使われます

由来

天然での存在

20900 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 94% of elements

自然界でカリウムが見つかる場所

地球の地質学的分布

カリウムは地殻中で7番目に存在量の多い元素(重量比2.09%)で、海洋で目立つナトリウムよりも一般的です。この存在度は、地球を形作った基本的な造岩鉱物におけるカリウムの役割を反映しています。

主な鉱物資源:

  • シルバイト(KCl):最も重要な商業資源で、古代の海に由来する蒸発岩鉱床に見られます
  • カーナライト(KCl·MgCl₂·6H₂O):海水が蒸発する最終段階で形成されます
  • カイナイト(KCl·MgSO₄·3H₂O):海成蒸発岩の層序に見られます
  • ラングバイナイト(K₂Mg₂(SO₄)₃):カリウムとマグネシウムの両方を含む貴重な資源です

世界の主な鉱床

カナダ、サスカチュワン州:世界最大のカリ鉱床を含みます。4億年前、ウィリストン盆地が浅い海だった時代に形成されました。エスターヘイジー鉱山は地下1キロメートルまで広がっています。

イスラエル/ヨルダン、死海:かん水には1.4%のカリウムが含まれ、太陽蒸発池で抽出されます。異なる鉱物濃度によって虹色の景観が作られます。

ロシア、ウラル山脈:古代の蒸発岩層が世界生産量の20%を供給し、ソビエト時代から操業している鉱山もあります。

ニューメキシコ州カールズバッド:ペルム紀盆地には、2億5000万年前に古代の海が蒸発した際に形成された広大なカリ鉱床があります。

海洋・水生環境

海水中の濃度:現代の海洋には約380ppmのカリウムが含まれ、河川からの流入と海洋生物・粘土鉱物による取り込みの均衡によって維持されています。

グレートソルト湖:ナトリウムやマグネシウムとともに商業的に抽出される、濃縮されたカリウムかん水を含みます。

恒星・宇宙での形成

元素合成:カリウム39は、ケイ素28がアルファ粒子を捕獲する際に、大質量星の酸素燃焼によって形成されます。この過程には15億Kを超える温度が必要です。

超新星での生成:放射性同位体であるカリウム40は、超新星の爆発的元素合成で作られ、放射性崩壊を通じて地球内部の熱に寄与します。

隕石:コンドライト隕石には長石鉱物中のカリウムが含まれ、初期太陽系の組成や岩石惑星の形成についての手がかりを与えます。

生物による濃縮

土壌形成:長石や雲母の風化によってカリウムイオンが放出され、植物が利用できるようになります。粘土鉱物はカリウムを捕らえ、時間をかけてゆっくり放出することがあります。

植物による吸収:根系は濃度勾配に逆らってカリウムを能動輸送し、土壌溶液と比べて1000倍に濃縮します。この過程には大きな代謝エネルギーが必要です。

取り扱い

安全性

カリウムの安全性情報

危険有害性の分類

リスクレベル:HIGH — カリウム金属は極めて危険で、専門的な取り扱い手順が必要です。

  • 反応性:水と激しく反応し、水素ガスと熱を発生します(爆発の危険)
  • 火災の危険:空気中で自然発火し、強い紫色の炎を出して燃えます
  • 毒性:カリウム化合物は一般に毒性が低いですが、一部の形態は化学やけどを起こすことがあります
  • 環境影響:カリウム塩は一般に環境に安全で、必須栄養素です

個人用保護具(PPE)

  • 目の保護:サイドシールド付き安全ゴーグル(ANSI Z87.1規格)
  • 手の保護:容器の取り扱いには革手袋を使用し、カリウム金属に直接触れないでください
  • 身体の保護:白衣または耐薬品性エプロン
  • 呼吸器の保護:カリウム金属を含む反応には必ずドラフトチャンバーを使用してください
  • 緊急設備:D類火災用消火器(金属火災専用)

保管要件

カリウム金属:密閉された不活性雰囲気容器内で、鉱物油または灯油の下に保管する必要があります。水源や酸化剤の近くには絶対に保管しないでください。

カリウム化合物:酸や酸化剤から離れた乾燥した涼しい場所に保管してください。湿気の吸収を防ぐため、容器をしっかり密閉してください。

分離要件:加熱すると爆発性混合物を形成する可能性があるため、カリウム化合物をアンモニウム塩から離してください。

健康限界とばく露

OSHA PEL(許容ばく露限界):カリウム金属について具体的な限界値はありません(通常のばく露には反応性が高すぎるため)

食事からのカリウム:成人は1日3500-4700mgを必要とします。ほとんどの人はカリウムが不足しています(平均約2600mg)

毒性閾値:高カリウム血症(カリウム過剰)は血中濃度5.5mEq/Lを超えると起こり、不整脈を引き起こすことがあります

応急処置

金属が皮膚に接触した場合:直ちに大量の水で15分以上洗い流してください。汚染された衣服を脱がせてください。やけどの場合は直ちに医師の診察を受けてください。

目に入った場合:まぶたを開いたまま15分以上水で洗い流してください。可能であればコンタクトレンズを外してください。直ちに医師の診察を受けてください。

粉じん・蒸気を吸入した場合:直ちに新鮮な空気の場所へ移動させてください。呼吸困難がある場合は酸素を与え、医師の診察を受けてください。

飲み込んだ場合:吐かせないでください。口を水ですすいでください。少量の水を飲ませてください。直ちに医師の診察を受けてください。

緊急時の手順

カリウム火災:絶対に水を使わないでください。D類火災用消火器(乾燥砂、塩化ナトリウム、または金属火災専用消火剤)を使用してください

こぼれた場合:その区域から避難してください。空間を換気してください。こぼれたカリウムを乾燥砂または油で覆ってください。湿気を絶対に接触させないでください。

爆発の危険:カリウムが水に触れると爆発性の水素ガスが発生します。直ちにすべての着火源を除去してください。

簡単な回答

カリウム:よくある質問

What is カリウム?

カリウム (symbol K) is element 19 on the periodic table, a アルカリ金属 in period 4, group 1. A metal so reactive it must be kept away from air, and so essential that no cell in your body works without it. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of カリウム?

カリウム's ground-state electron configuration is [Ar] 4s¹, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 8, 1 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of カリウム?

カリウム melts at 336.5 K (63.4 °C) and boils at 1032 K (758.9 °C).

What is the atomic mass of カリウム?

The standard atomic weight of カリウム is 39.098 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is カリウム?

カリウム has a density of 0.89 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of カリウム floats.

What is the electronegativity of カリウム?

カリウム has a Pauling electronegativity of 0.82. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.

Who discovered カリウム, and when?

カリウム was discovered in 1807 by Humphry Davy. It is named after english potash; symbol from Latin kalium.

How common is カリウム on Earth?

カリウム makes up about 2.09% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.