A tengervíz körülbelül 400 ppm káliumot tartalmaz. Hajlamos leülepedni, és ennek következtében többnyire az üledékbe kerül. A folyók általában 2-3 ppm káliumot tartalmaznak. Ezt a különbséget elsősorban az óceáni bazaltok nagy káliumkoncentrációja okozza. A kalciumban gazdag gránit akár 2,5% káliumot is tartalmazhat. A vízben ez az elem főként K+ (aq) ionok formájában van jelen.
40K a természetben nagy mennyiségben előforduló radioaktív káliumizotóp. A tengervíz természetes koncentrációja körülbelül 4,5 . 10-5 g/l.
Milyen módon és milyen formában reagál a kálium a vízzel?
A kálium gyorsan és intenzíven reagál vízzel, színtelen bázikus kálium-hidroxid-oldatot és hidrogéngázt képezve, a következő reakciómechanizmus szerint:
2K (s) + 2H2O (l) -> 2KOH (aq) + H2 (g)
Ez egy exoterm reakció, és a káliumot olyan mértékben hevíti, hogy lila lángot éget. Ráadásul a reakció során felszabaduló hidrogén erősen reagál az oxigénnel és meggyullad. A kálium lassabban reagál a vízzel, mint a rubídium, amely a periódusos rendszerben a kálium alatt helyezkedik el. Gyorsabban reagál a vízzel, mint a nátrium, amely a periódusos rendszerben magasabban helyezkedik el.
A kálium és a káliumvegyületek oldhatósága
A kálium nem oldódik vízben, de a vízzel reagál, amint azt korábban már kifejtettük. A káliumvegyületek vízben oldódhatnak. Ilyen például a kálium-dikromát 115 g/L vízoldékonysággal, a kálium-permanganát 76 g/L vízoldékonysággal, a kálium-jodid 92 g/L vízoldékonysággal és a kálium-jodid, amelyből akár 1480 g is feloldható egy liter vízben.
Miért van jelen a kálium a vízben?
A kálium különböző ásványokban fordul elő, amelyekből időjárási folyamatok során kioldódhat. Ilyenek például a földpátok (ortoklász és mikroklin), amelyek azonban a káliumvegyületek előállítása szempontjából nem túl jelentősek, valamint a klórásványok, a karnalit és a szilvit, amelyek előállítási célokra a legkedvezőbbek. Egyes agyagásványok káliumot tartalmaznak. Természetes folyamatok révén a tengervízbe kerül, ahol főként az üledékekben ülepedik le.
A kálium-kloridból kivonják az elemi káliumot, de nagyfokú reakcióképessége miatt nem sok célt szolgál. Az ötvözetekben és a szerves szintézisben alkalmazzák.
Egy sor káliumvegyület, főként a kálium-nitrát, népszerű szintetikus műtrágya.A kereskedelemben alkalmazott kálium 95%-át szintetikus műtrágyákhoz adják. A káliumsókat és a magnézium- és kalciumvegyületek keverékeit is rendszeresen alkalmazzák. A regenerálás során olyan szennyvíz szabadul fel, amely a felszíni vizekbe vezetve veszélyes, és amelyet nehéz tisztítani.
A káliumot az üveggyártásban alkalmazzák, hogy erősebbé és szilárdabbá tegyék azt. Ezt az üveget főként a televíziós képernyőkben alkalmazzák. Más káliumvegyületeket a folyékony szappangyártásban, gyógyszerekhez vagy infúziókhoz adva, illetve a fényképészetben vagy a cserzésben alkalmaznak. A legtöbb esetben a kálium nem a hatóanyag, hanem a szomszédos anion. Ez vonatkozik a gyufában és tűzijátékokban alkalmazott kálium-klorátra és a porban lévő kálium-nitrátra is. A kálium-alkáliumok a papírragasztó alapanyagai, és a szintetikus gumi töltőanyagaként alkalmazzák.
A káliumvegyületek a legreaktívabb bázikus kémiai vegyületek, ami például a kálium-hidroxidokra és -nitrátokra vonatkozik. A kálium-hidroxid maró káliumot képez, és mosószerekben, lágyítókban, zöld szappanokban, olaj kéntelenítésében és szén-dioxid-elnyelőkben alkalmazzák.
A káliumvegyületek alkalmazásának további példái közé tartozik a kálium-jodid a hulladékminták oxidatív kapacitásának mérésére, a kálium-dikromát a szerves anyagok oxidatív kapacitásának mérésére a talajtanban és a biológiai szennyvízkezelésben, valamint a kálium-diciano aureát, amely egy rendkívül mérgező vízben oldódó aranyvegyület, amelyet műszaki aranyozásra alkalmaznak. A káliumvegyületek a vizelettel a szennyvízbe kerülhetnek. Szokatlan alkalmazás a száraz régiókban az eső mennyiségének növelése kálium-kloriddal. Ez közvetlenül a felhők alatt szabadul fel a repülőgépekből, felemelkedik és megduplázza a felhőkben lévő nedvesség mennyiségét, így erősebb esőzésbe kezd.
Mivel a háztartási hulladéklerakókból származó káliumkibocsátás általában kivételesen magas, ezt a vegyületet a talajvízben lévő más mérgező vegyületek indikátoraként lehet alkalmazni.
Milyen környezeti hatásai vannak a vízben lévő káliumnak?
A kálium szinte minden szervezet, de számos baktérium számára táplálékszükséglet, mivel fontos szerepet játszik az idegi funkciókban.
A kálium központi szerepet játszik a növények növekedésében, és gyakran korlátozza azt. Az elhalt növényi és állati anyagokból származó kálium a talajban gyakran az agyagásványokhoz kötődik, mielőtt a vízben feloldódna. Következésképpen a növények könnyen felveszik újra. A szántás megzavarhatja ezt a természetes folyamatot. Következésképpen a mezőgazdasági talajokhoz gyakran adnak káliumtartalmú műtrágyát. A növények átlagosan 2% káliumot tartalmaznak (száraz tömegben), de az értékek 0,1-6,8% között változhatnak. A szúnyoglárvák 0,5-0,6% káliumot, a bogarak pedig 0,6-0,9% káliumot (száraz tömeg) tartalmaznak. A káliumsók a magas ozmotikus aktivitás miatt elpusztíthatják a növényi sejteket.
A kálium a vízben gyengén veszélyes, de viszonylag nagy mobilitása és alacsony átalakulási potenciálja miatt elég gyorsan terjed. A kálium toxicitását általában a vegyület más összetevői okozzák, például a kálium-cianidban a cianid.
A patkányok LD50 értéke 5 mg/kg. A káliumbromát esetében ez 321 mg/kg, a kálium-fluorid esetében pedig 245 mg/kg. A vízi élőlényekre vonatkozó LD50 értékek például 132 mg/l a halak esetében és 1,16 mg/l a daphniák esetében.
A természetben előforduló három káliumizotóp közül az egyik a 40K, amely radioaktív. A gyanú szerint ez a vegyület növényi és állati génmódosulásokat okoz. Természetes eredete miatt azonban nem tartozik a radioaktív toxicitási osztályba. Összesen tizenkét instabil káliumizotóp létezik.
Milyen egészségügyi hatásai vannak a vízben lévő káliumnak?
A kálium táplálékszükségletünk, és naponta kb. 1-6 g-ot veszünk fel, napi 2-3,5 g szükséglet mellett. Az emberi szervezetben lévő teljes káliummennyiség valahol 110 és 140 g között van, és elsősorban az izomtömegtől függ. A vörösvértestek és az agyszövet után az izmok tartalmazzák a legtöbb káliumot.
Míg ellenfele, a nátrium az intracelluláris folyadékokban van jelen, addig a kálium elsősorban a sejteken belül. Megőrzi az ozmotikus nyomást. A sejtekben lévő kálium és a plazmában lévő kálium aránya 27:1, és a nátrium-kálium-pumpák segítségével szabályozható.
A kálium létfontosságú funkciói közé tartozik az idegingerlésben, az izomösszehúzódásokban, a vérnyomás szabályozásában és a fehérjeoldásban betöltött szerepe. Védi a szívet és az artériákat, és még a szív- és érrendszeri betegségeket is megelőzheti. A nátrium és a kálium viszonya régebben 1:16 volt, ma körülbelül 3:1, ami elsősorban a magas nátriumfelvételt akadályozza meg.
A káliumhiány viszonylag ritka, de depresszióhoz, izomgyengeséghez, szívritmuszavarhoz és zavartsághoz vezethet. A káliumvesztés krónikus hasmenés vagy vesebetegség következménye lehet, mivel a fizikai káliumegyensúlyt a vesék szabályozzák. Ha a vesék elégtelenül működnek, a nagyobb veszteségek elkerülése érdekében korlátozni kell a káliumbevitelt.
A káliumos fémekkel való bőrkontaktus maró káliumkorróziót eredményez. Ez veszélyesebb, mint a savas korrózió, mert korlátlanul folytatódik. A maró káliumcseppek nagyon károsak a szemre.
Egy sor káliumvegyület bevitele különösen káros lehet. Nagy dózisban a kálium-klorid zavarja az idegimpulzusokat, ami gyakorlatilag minden testi funkciót megzavar, és főként a szívműködést befolyásolja. A kálium-alum már 2 g-os koncentrációban gyomorpanaszokat és hányingert okozhat, nagyobb koncentrációban pedig maró, sőt halálos lehet. A kálium-karbonát 15 g feletti dózisban halálos a felnőttek számára. Ugyanez vonatkozik a kálium-tartarátra 1 g-nál, és a kálium-cianidra már 50 mg-nál is. A kálium-dikromát 6 és 8 g között halálos, 30 g kálium-nitrát pedig súlyos mérgezést okoz, ami halálhoz vezethet. Erősen maró hatása miatt a kálium-hidroxid 10 és 12 ml közötti koncentrációja 15%-os marószerben halálos lehet. A kálium-permanganátot fehérítőkben és fertőtlenítésben alkalmazzák, és 5 és 8 g között halálos.
Milyen víztisztítási technológiákat lehet alkalmazni a kálium eltávolítására a vízből?
A káliumot fordított ozmózissal lehet eltávolítani a vízből. Például a kálium-permanganát alkalmazható a vízben lévő vegyületek oxidációjára, például vas vagy mangán eltávolítására és fertőtlenítésére. Ez azonban általában nem ajánlott. A kálium-permanganát alkalmazása lehetővé teszi a vízben lévő szerves anyagok oxidációs kapacitásának meghatározását. Ez általában meghaladja a BOD-t. A kálium-dikromátot a KOI meghatározására alkalmazzák.
Irodalom és a többi elem, valamint a vízzel való kölcsönhatásuk