Meerwasser enthält etwa 400 ppm Kalium. Es neigt dazu, sich abzusetzen, und landet daher meist im Sediment. Flüsse enthalten im Allgemeinen etwa 2-3 ppm Kalium. Dieser Unterschied ist hauptsächlich auf die hohe Kaliumkonzentration in ozeanischen Basalten zurückzuführen. Kalziumreicher Granit enthält bis zu 2,5 % Kalium. Im Wasser liegt dieses Element hauptsächlich als K+(aq)-Ionen vor.
40K ist ein natürlich reichlich vorhandenes radioaktives Kaliumisotop. Meerwasser enthält eine natürliche Konzentration von etwa 4,5 . 10-5 g/L.
Auf welche Weise und in welcher Form reagiert Kalium mit Wasser?
Kalium reagiert schnell und intensiv mit Wasser unter Bildung einer farblosen basischen Kaliumhydroxidlösung und Wasserstoffgas nach folgendem Reaktionsmechanismus:
2K (s) + 2H2O (l) -> 2KOH (aq) + H2 (g)
Dabei handelt es sich um eine exotherme Reaktion, bei der Kalium so stark erhitzt wird, dass es mit einer violetten Flamme brennt. Außerdem reagiert der bei der Reaktion freigesetzte Wasserstoff stark mit Sauerstoff und entzündet sich. Kalium reagiert langsamer mit Wasser als Rubidium, das im Periodensystem unter Kalium steht. Es reagiert schneller mit Wasser als Natrium, das im Periodensystem weiter oben steht.
Löslichkeit von Kalium und Kaliumverbindungen
Kalium ist nicht wasserlöslich, aber es reagiert mit Wasser, wie bereits erläutert wurde. Kaliumverbindungen können wasserlöslich sein. Beispiele sind Kaliumdichromat mit einer Wasserlöslichkeit von 115 g/L, Kaliumpermanganat mit einer Wasserlöslichkeit von 76 g/L, Kaliumjodid mit einer Wasserlöslichkeit von 92 g/L und Kaliumjodid, von dem sogar bis zu 1480 g in einem Liter Wasser gelöst werden können.
Warum ist Kalium im Wasser vorhanden?
Kalium kommt in verschiedenen Mineralien vor, aus denen es durch Verwitterungsprozesse gelöst werden kann. Beispiele sind Feldspäte (Orthoklas und Mikroklin), die jedoch für die Herstellung von Kaliumverbindungen nicht sehr bedeutend sind, und die Chlorminerale Carnalit und Sylvit, die für die Herstellung am günstigsten sind. Einige Tonminerale enthalten Kalium. Es gelangt durch natürliche Prozesse ins Meerwasser, wo es sich hauptsächlich in Sedimenten ablagert.
Elementares Kalium wird aus Kaliumchlorid gewonnen, dient aber wegen seines hohen Reaktionsvermögens nicht vielen Zwecken. Es wird in Legierungen und in der organischen Synthese verwendet.
Eine Reihe von Kaliumverbindungen, vor allem Kaliumnitrat, sind beliebte synthetische Düngemittel. 95% des kommerziell verwendeten Kaliums wird synthetischen Düngemitteln zugesetzt. Auch Kaliumsalze und Mischungen aus Magnesium- und Kalziumverbindungen werden regelmäßig eingesetzt. Bei der Regenerierung werden Abwässer freigesetzt, die bei der Einleitung in Oberflächengewässer gefährlich sind und nur schwer gereinigt werden können.
Kalium wird bei der Glasherstellung verwendet, um das Glas fester und stabiler zu machen. Dieses Glas wird hauptsächlich für Fernsehbildschirme verwendet. Andere Kaliumverbindungen werden bei der Herstellung von Flüssigseife verwendet, Medikamenten oder Infusionen zugesetzt oder in der Fotografie oder Gerberei eingesetzt. In den meisten Fällen ist Kalium nicht der Wirkstoff, sondern das benachbarte Anion. Dies gilt auch für Kaliumchlorat, das in Streichhölzern und Feuerwerkskörpern verwendet wird, und für Kaliumnitrat in Pulverform. Kaliumalaune sind Grundlagen für Papierleim und werden als Füllstoff für synthetischen Kautschuk verwendet.
Kaliumverbindungen sind die reaktionsfreudigsten chemischen Grundstoffe, was zum Beispiel für Kaliumhydroxide und -nitrate gilt. Kaliumhydroxid bildet Ätzkali und wird in Waschmitteln, Weichmachern, grüner Seife, bei der Entschwefelung von Öl und in Kohlendioxid-Absorbern verwendet.
Andere Beispiele für die Verwendung von Kaliumverbindungen sind Kaliumiodid für die Messung der Oxidationskapazität von Abfallproben, Kaliumdichromat für die Messung der Oxidationskapazität organischer Stoffe in der Bodenkunde und der biologischen Abwasserbehandlung sowie Kaliumdicyanoaurat, eine extrem giftige wasserlösliche Goldverbindung, die für die technische Vergoldung verwendet wird. Kaliumverbindungen können über den Urin in die Abwässer gelangen. Eine ungewöhnliche Anwendung ist die Erhöhung der Regenmenge in Trockengebieten durch Kaliumchlorid. Es wird von Flugzeugen direkt unter den Wolken freigesetzt, steigt nach oben und verdoppelt die Feuchtigkeitsmenge in den Wolken, so dass es stärker zu regnen beginnt.
Da die Kaliumfreisetzung aus Hausmülldeponien in der Regel außergewöhnlich hoch ist, kann diese Verbindung als Indikator für andere toxische Verbindungen im Grundwasser verwendet werden.
Welche Auswirkungen hat Kalium im Wasser auf die Umwelt?
Kalium ist für fast alle Organismen, mit Ausnahme einer Reihe von Bakterien, lebensnotwendig, da es eine wichtige Rolle bei den Nervenfunktionen spielt.
Kalium spielt eine zentrale Rolle beim Pflanzenwachstum und schränkt es oft ein. Kalium aus abgestorbenem pflanzlichen und tierischen Material ist in Böden oft an Tonmineralien gebunden, bevor es sich in Wasser auflöst. Daher wird es von den Pflanzen leicht wieder aufgenommen. Das Pflügen kann diesen natürlichen Prozess stören. Daher wird den landwirtschaftlichen Böden häufig Kaliumdünger zugesetzt. Pflanzen enthalten im Durchschnitt etwa 2 % Kalium (Trockenmasse), aber die Werte können zwischen 0,1 und 6,8 % schwanken. Mückenlarven enthalten zwischen 0,5 und 0,6 % Kalium, und Käfer enthalten zwischen 0,6 und 0,9 % Kalium (Trockenmasse). Kaliumsalze können aufgrund ihrer hohen osmotischen Aktivität Pflanzenzellen abtöten.
Kalium ist im Wasser nur schwach gefährlich, verbreitet sich aber aufgrund seiner relativ hohen Mobilität und seines geringen Transformationspotenzials recht schnell. Die Kaliumtoxizität wird in der Regel durch andere Bestandteile einer Verbindung verursacht, zum Beispiel durch Cyanid in Kaliumcyanid.
Der LD50-Wert für Ratten beträgt 5 mg/kg. Für Kaliumbromat liegt er bei 321 mg/kg und für Kaliumfluorid bei 245 mg/kg. Beispiele für LD50-Werte für Wasserorganismen sind 132 mg/L für Fische und 1,16 mg/L für Daphnien.
Eines der drei natürlich vorkommenden Kaliumisotope ist 40K, das radioaktiv ist. Es wird vermutet, dass diese Verbindung Genveränderungen bei Pflanzen und Tieren verursacht. Aufgrund seines natürlichen Ursprungs ist es jedoch nicht als radioaktive Substanz eingestuft. Insgesamt gibt es zwölf instabile Kaliumisotope.
Welche gesundheitlichen Auswirkungen hat Kalium im Wasser?
Kalium ist ein Nahrungsbestandteil für uns, und wir nehmen etwa 1-6 g pro Tag bei einem Bedarf von 2-3,5 g pro Tag auf. Die Gesamtkaliummenge im menschlichen Körper liegt zwischen 110 und 140 g und hängt hauptsächlich von der Muskelmasse ab. Die Muskeln enthalten nach den roten Blutkörperchen und dem Hirngewebe das meiste Kalium.
Während sein Gegenspieler Natrium in den intrazellulären Flüssigkeiten vorkommt, befindet sich Kalium hauptsächlich innerhalb der Zellen. Es hält den osmotischen Druck aufrecht. Das Verhältnis von Kalium in den Zellen zu Kalium im Plasma beträgt 27:1 und wird durch Natrium-Kalium-Pumpen reguliert.
Zu den lebenswichtigen Funktionen von Kalium gehören seine Rolle bei der Nervenreizung, der Muskelkontraktion, der Blutdruckregulierung und der Proteinauflösung. Es schützt das Herz und die Arterien und kann sogar Herz-Kreislauf-Erkrankungen vorbeugen. Das Verhältnis von Natrium zu Kalium betrug früher 1:16 und liegt heute bei etwa 3:1, was vor allem eine hohe Natriumaufnahme verhindert.
Kaliummangel ist relativ selten, kann aber zu Depressionen, Muskelschwäche, Herzrhythmusstörungen und Verwirrung führen. Kaliumverlust kann eine Folge von chronischem Durchfall oder Nierenerkrankungen sein, denn der physische Kaliumhaushalt wird von den Nieren reguliert. Wenn die Nieren unzureichend arbeiten, muss die Kaliumzufuhr eingeschränkt werden, um größere Verluste zu vermeiden.
Hautkontakt mit Kaliummetallen führt zu Kalilaugekorrosion. Diese ist gefährlicher als die Säurekorrosion, weil sie unbegrenzt andauert. Ätzkali-Tropfen sind sehr schädlich für die Augen.
Die Einnahme einer Reihe von Kaliumverbindungen kann besonders schädlich sein. In hohen Dosen stört Kaliumchlorid die Nervenimpulse, was praktisch alle Körperfunktionen unterbricht und vor allem die Herzfunktion beeinträchtigt. Kaliumalaun kann schon bei einer Konzentration von 2 g Magenbeschwerden und Übelkeit verursachen und in höheren Konzentrationen ätzend und sogar tödlich sein. Kaliumcarbonat ist in Dosen von mehr als 15 g für Erwachsene tödlich. Dasselbe gilt für Kaliumtartrat in einer Konzentration von 1 g und für Kaliumcyanid in einer Konzentration von nur 50 mg. Kaliumdichromat ist bei 6 bis 8 g tödlich, und 30 g Kaliumnitrat führen zu schweren Vergiftungen, die zum Tod führen können. Wegen seines stark ätzenden Mechanismus können Kaliumhydroxid-Konzentrationen zwischen 10 und 12 ml in einer 15%igen Lauge tödlich sein. Kaliumpermanganat wird in Bleichmitteln und zur Desinfektion eingesetzt und ist bei einer Konzentration von 5 bis 8 g tödlich.
Welche Wasserreinigungstechnologien können zur Entfernung von Kalium aus Wasser eingesetzt werden?
Kalium kann durch Umkehrosmose aus Wasser entfernt werden.
Kalium wird zur Wasserreinigung eingesetzt. Kaliumpermanganat kann zum Beispiel zur Oxidation von Wasserinhaltsstoffen, etwa zur Entfernung von Eisen oder Mangan, und zur Desinfektion eingesetzt werden. Dies wird jedoch nicht allgemein empfohlen. Die Anwendung von Kaliumpermanganat ermöglicht es, die Oxidationskapazität von organischen Stoffen im Wasser zu bestimmen. Diese übersteigt im Allgemeinen den BSB. Kaliumdichromat wird zur Bestimmung des CSB eingesetzt.
Literatur und die anderen Elemente und ihre Wechselwirkung mit Wasser