Merivesi sisältää noin 400 ppm kaliumia. Sillä on taipumus laskeutua, ja näin ollen se päätyy enimmäkseen sedimenttiin. Joet sisältävät yleensä noin 2-3 ppm kaliumia. Tämä ero johtuu pääasiassa valtamerten basalttien suuresta kaliumpitoisuudesta. Kalsiumrikkaassa graniitissa on jopa 2,5 % kaliumia. Vedessä tämä alkuaine esiintyy pääasiassa K+ (aq) -ioneina.
40K on luonnossa runsaasti esiintyvä radioaktiivinen kaliumisotooppi. Meriveden luonnollinen pitoisuus on noin 4,5 . 10-5 g/l.
Millä tavalla ja missä muodossa kalium reagoi veden kanssa?
Kalium reagoi nopeasti ja voimakkaasti veden kanssa muodostaen väritöntä emäksistä kaliumhydroksidiliuosta ja vetykaasua seuraavan reaktiomekanismin mukaisesti:
2K (s) + 2H2O (l) -> 2KOH (aq) + H2 (g)
Tämä on eksoterminen reaktio, ja kaliumia kuumennetaan siinä määrin, että se palaa purppuranpunaista liekkiä. Lisäksi reaktiossa vapautuva vety reagoi voimakkaasti hapen kanssa ja syttyy. Kalium reagoi veden kanssa hitaammin kuin rubidium, joka on jaksollisessa järjestelmässä sijoitettu kaliumin alle. Se reagoi veden kanssa nopeammin kuin natrium, joka on sijoitettu jaksollisessa järjestelmässä ylemmäs.
Kaliumin ja kaliumyhdisteiden liukoisuus
Kalium ei liukene veteen, mutta se reagoi veden kanssa, kuten aiemmin selitettiin. Kaliumyhdisteet voivat olla vesiliukoisia. Esimerkkejä ovat kaliumdikromaatti, jonka vesiliukoisuus on 115 g/l, kaliumpermanganaatti, jonka vesiliukoisuus on 76 g/l, kaliumjodidi, jonka vesiliukoisuus on 92 g/l, ja kaliumjodidi, jota voi liueta jopa 1480 g yhteen litraan vettä.
Miksi kaliumia on vedessä?
Kaliumia esiintyy erilaisissa mineraaleissa, joista se voi liueta sään vaikutuksesta. Esimerkkejä ovat maasälpä (ortoklaasi ja mikrokliini), jotka eivät kuitenkaan ole kovin merkittäviä kaliumyhdisteiden tuotannon kannalta, ja kloorimineraalit karnaliitti ja sylviitti, jotka ovat tuotantotarkoituksiin edullisimpia. Jotkin savimineraalit sisältävät kaliumia. Kalium päätyy meriveteen luonnollisten prosessien kautta, jossa se pääasiassa laskeutuu sedimentteihin.
Elementaarista kaliumia uutetaan kaliumkloridista, mutta se ei palvele monia käyttötarkoituksia, koska sen reaktiivisuus on suuri. Sitä käytetään seoksissa ja orgaanisessa synteesissä.
Joitakin kaliumyhdisteitä, pääasiassa kaliumnitraattia, käytetään mielellään synteettisinä lannoitteina.95 % kaupallisesti käytetystä kaliumista lisätään synteettisiin lannoitteisiin. Myös kaliumsuoloja sekä magnesium- ja kalsiumyhdisteiden seoksia käytetään säännöllisesti. Regeneroinnista vapautuu jätevesiä, jotka ovat vaarallisia pintavesiin johdettaessa ja joita on vaikea puhdistaa.
Kaliumia käytetään lasinvalmistuksessa sen lujittamiseksi ja kiinteyttämiseksi. Tätä lasia käytetään pääasiassa televisioruuduissa. Muita kaliumyhdisteitä käytetään nestesaippuan valmistuksessa, niitä lisätään lääkkeisiin tai infuusioihin tai niitä käytetään valokuvauksessa tai parkituksessa. Useimmissa tapauksissa kalium ei ole aktiivinen ainesosa, vaan pikemminkin vieressä oleva anioni. Tämä koskee myös kaliumkloraatin käyttöä tulitikuissa ja ilotulitteissa sekä kaliumnitraatin käyttöä jauheessa. Kaliumalumit ovat paperiliiman emäksiä ja niitä käytetään synteettisen kumin täyteaineena.
Kaliumyhdisteet ovat reaktiivisimpia kemiallisia perusyhdisteitä, mikä koskee esimerkiksi kaliumhydroksideja ja -nitraatteja. Kaliumhydroksidi muodostaa syövyttävää kaliumhydroksidia, ja sitä käytetään pesuaineissa, pehmentimissä, vihreässä saippuassa, öljyn rikinpoistossa ja hiilidioksidin absorbaattoreissa.
Muita esimerkkejä kaliumyhdisteiden käyttökohteista ovat kaliumjodidi jätenäytteiden hapetuskapasiteetin mittauksissa, kaliumdikromaatti orgaanisen aineksen hapetuskapasiteetin mittauksissa maaperätieteessä ja biologisessa jäteveden käsittelyssä sekä kaliumdikyaanoureaatti, joka on erittäin myrkyllinen vesiliukoinen kultayhdiste, jota käytetään tekniseen kullatukseen. Kaliumyhdisteitä voi päätyä jätevesiin virtsan kautta. Eräs epätavallinen käyttötapa on sateen määrän lisääminen kuivilla alueilla kaliumkloridilla. Se vapautuu lentokoneista juuri pilvien alapuolelle, nousee ylöspäin ja kaksinkertaistaa pilvien kosteuden määrän, jolloin alkaa sataa enemmän.
Koska kotitalousjätteen kaatopaikoilta vapautuu yleensä poikkeuksellisen paljon kaliumia, tätä yhdistettä voidaan käyttää pohjaveden muiden myrkyllisten yhdisteiden indikaattorina.
Mitkä ovat vedessä olevan kaliumin ympäristövaikutukset?
Kalium on lähes kaikkien eliöiden, mutta useiden bakteerien, ravinnontarve, koska sillä on tärkeä rooli hermojen toiminnassa.
Kaliumilla on keskeinen rooli kasvien kasvussa, ja se rajoittaa sitä usein. Kuolleesta kasvi- ja eläinaineksesta peräisin oleva kalium on usein sitoutunut maaperän savimineraaleihin, ennen kuin se liukenee veteen. Näin ollen kasvit ottavat sen helposti uudelleen käyttöönsä. Kyntö voi häiritä tätä luonnollista prosessia. Tämän vuoksi maatalousmaahan lisätään usein kaliumlannoitteita. Kasvit sisältävät keskimäärin noin 2 % kaliumia (kuivamassa), mutta arvot voivat vaihdella välillä 0,1-6,8 %. Hyttysten toukat sisältävät 0,5-0,6 % kaliumia ja kovakuoriaiset 0,6-0,9 % kaliumia (kuivamassa). Kaliumsuolat voivat tappaa kasvisoluja korkean osmoottisen aktiivisuutensa vuoksi.
Kalium on heikosti vaarallinen vedessä, mutta se leviää melko nopeasti, koska sen liikkuvuus on suhteellisen suuri ja muuntumispotentiaali pieni. Kaliumin myrkyllisyyden aiheuttavat yleensä yhdisteen muut komponentit, esimerkiksi syanidi kaliumsyanidissa.
Rotilla LD50-arvo on 5 mg/kg. Kaliumbromaatille tämä on 321 mg/kg ja kaliumfluoridille 245 mg/kg. Esimerkkejä vesieliöiden LD50-arvoista ovat 132 mg/l kaloille ja 1,16 mg/l vesikirpuille.
Yksi kolmesta luonnossa esiintyvästä kaliumin isotoopista on 40K, joka on radioaktiivinen. Tämän yhdisteen epäillään aiheuttavan kasvien ja eläinten geenimuutoksia. Sillä ei kuitenkaan ole radiomyrkyllisyysluokitusta, koska se on luonnollista alkuperää. Epävakaita kaliumin isotooppeja on yhteensä kaksitoista.
Mitä terveysvaikutuksia vedessä olevalla kaliumilla on?
Kalium on meille ravinnosta saatavaa, ja otamme sitä noin 1-6 g vuorokaudessa, kun tarve on 2-3,5 g vuorokaudessa. Kaliumin kokonaismäärä ihmiskehossa on jossain 110-140 g:n välillä ja riippuu pääasiassa lihasmassasta. Lihakset sisältävät eniten kaliumia punasolujen ja aivokudoksen jälkeen.
Mikäli sen vastine natrium on solunsisäisissä nesteissä, kalium on pääasiassa solujen sisällä. Se säilyttää osmoottisen paineen. Soluissa olevan kaliumin ja plasman kaliumin suhde on 27:1, ja sitä säätelevät natrium-kaliumpumput.
Kaliumin elintärkeitä tehtäviä ovat muun muassa sen rooli hermoärsykkeissä, lihassupistuksissa, verenpaineen säätelyssä ja proteiinien liuotuksessa. Se suojaa sydäntä ja valtimoita ja saattaa jopa ehkäistä sydän- ja verisuonitauteja. Natriumin ja kaliumin suhde oli ennen 1:16 ja on nykyään noin 3:1, mikä estää lähinnä natriumin suurta ottoa.
Kaliumin puute on suhteellisen harvinaista, mutta se voi aiheuttaa masennusta, lihasheikkoutta, sydämen rytmihäiriöitä ja sekavuutta. Kaliumin menetys voi olla seurausta kroonisesta ripulista tai munuaissairaudesta, koska fyysistä kaliumtasapainoa säätelevät munuaiset. Kun munuaisten toiminta on riittämätöntä, kaliumin saantia on rajoitettava suurempien menetysten estämiseksi.
Ihokosketus kaliummetallien kanssa johtaa kaliumin syövyttävään korroosioon. Tämä on vaarallisempaa kuin happokorroosio, koska se jatkuu rajattomasti. Kaustisen kaliumin pisarat ovat erittäin haitallisia silmille.
Joidenkin kaliumyhdisteiden saanti voi olla erityisen haitallista. Suurina annoksina kaliumkloridi häiritsee hermoimpulsseja, mikä keskeyttää lähes kaikki kehon toiminnot ja vaikuttaa lähinnä sydämen toimintaan. Kaliumalumiini voi aiheuttaa vatsavaivoja ja pahoinvointia jo 2 g:n pitoisuuksissa, ja se voi olla syövyttävää ja jopa tappavaa suuremmissa pitoisuuksissa. Kaliumkarbonaatti on aikuisille tappava yli 15 g:n annoksina. Sama koskee kaliumtartraattia 1 g:n annoksina ja kaliumsyanidia vain 50 mg:n annoksina. Kaliumdikromaatti on tappava 6-8 g:n annoksina, ja 30 g kaliumnitraattia aiheuttaa vakavan myrkytyksen, joka voi johtaa kuolemaan. Voimakkaasti syövyttävän mekanisminsa vuoksi kaliumhydroksidin 10-12 ml:n pitoisuudet 15-prosenttisessa syövyttävässä aineessa voivat olla tappavia. Kaliumpermanganaattia käytetään valkaisuaineissa ja desinfioinnissa, ja se on tappava 5-8 g:n pitoisuuksissa.
Mitä vedenpuhdistustekniikoita voidaan käyttää kaliumin poistamiseksi vedestä?
Vedestä voidaan poistaa kaliumia käänteisosmoosin avulla.
Kaliumia käytetään veden puhdistuksessa. Esimerkiksi kaliumpermanganaattia voidaan soveltaa vedessä olevien yhdisteiden hapettamiseen, kuten raudan tai mangaanin poistamiseen, ja desinfiointiin. Tätä ei kuitenkaan yleisesti suositella. Kaliumpermanganaatin käytön avulla voidaan määrittää vedessä olevan orgaanisen aineen hapetuskapasiteetti. Yleensä tämä ylittää BOD:n. Kaliumdikromaattia käytetään COD:n määrittämiseen.
Kirjallisuus ja muut alkuaineet ja niiden vuorovaikutus veden kanssa