Zee-water bevat ongeveer 400 ppm kalium. Het heeft de neiging te bezinken, en komt daardoor meestal in sedimenten terecht. Rivieren bevatten over het algemeen ongeveer 2-3 ppm kalium. Dit verschil wordt vooral veroorzaakt door de grote kaliumconcentratie in oceanische basalten. Calciumrijk graniet bevat tot 2,5% kalium. In water is dit element vooral aanwezig als K+ (aq) ionen.
40K is een van nature veel voorkomende radioactieve kaliumisotoop. Zeewater bevat een natuurlijke concentratie van ongeveer 4,5 . 10-5 g/L.
Op welke manier en in welke vorm reageert kalium met water?
Kalium reageert snel en hevig met water, waarbij een kleurloze basische kaliumhydroxideoplossing en waterstofgas ontstaan, volgens het volgende reactiemechanisme:
2K (s) + 2H2O (l) -> 2KOH (aq) + H2 (g)
Dit is een exotherme reactie en kalium wordt zo ver verhit dat het een paarse vlam geeft. Bovendien reageert de waterstof die bij de reactie vrijkomt sterk met zuurstof en ontbrandt. Kalium reageert met water langzamer dan rubidium, dat in het periodiek systeem onder kalium is geplaatst. Het reageert sneller met water dan natrium, dat hoger in het periodiek systeem is opgenomen.
Oplosbaarheid van kalium en kaliumverbindingen
Kalium is niet oplosbaar in water, maar het reageert wel met water, zoals eerder is uitgelegd. Kaliumverbindingen kunnen wel oplosbaar zijn in water. Voorbeelden zijn kaliumdichromaat met een oplosbaarheid van 115 g/L in water, kaliumpermanganaat met een oplosbaarheid van 76 g/L in water, kaliumjodide met een oplosbaarheid van 92 g/L in water, en kaliumjodide, waarvan zelfs tot 1480 g in een liter water kan worden opgelost.
Waarom is kalium in water aanwezig?
Kalium komt voor in verschillende mineralen, waaruit het door verweringsprocessen kan worden opgelost. Voorbeelden zijn veldspaten (orthoklaas en microklien), die echter voor de produktie van kaliumverbindingen van weinig betekenis zijn, en de chloormineralen carnaliet en sylviet, die voor produktiedoeleinden het gunstigst zijn. Sommige kleimineralen bevatten kalium. Via natuurlijke processen komt het in zeewater terecht, waar het vooral in sedimenten neerslaat.
Elementair kalium wordt gewonnen uit kaliumchloride, maar dient niet veel doeleinden vanwege het grote reactieve vermogen. Het wordt toegepast in legeringen en bij organische synthese.
Een aantal kaliumverbindingen, voornamelijk kaliumnitraat, zijn populaire synthetische meststoffen.95% van het commercieel toegepaste kalium wordt toegevoegd aan synthetische meststoffen. Kaliumzouten en mengsels van magnesium- en calciumverbindingen worden ook regelmatig gebruikt. Bij de regeneratie komt afvalwater vrij dat gevaarlijk is wanneer het op oppervlaktewater wordt geloosd, en dat moeilijk te zuiveren is.
Kalium wordt toegepast bij de produktie van glas om het sterker en vaster te maken. Dit glas wordt vooral toegepast in televisieschermen. Andere kaliumverbindingen worden toegepast bij de productie van vloeibare zeep, toegevoegd aan medicijnen of infusies, of toegepast in de fotografie of bij het looien. In de meeste gevallen is kalium niet het actieve bestanddeel, maar veeleer het aangrenzende anion. Dit geldt ook voor de toepassing van kaliumchloraat in lucifers en vuurwerk, en voor kaliumnitraat in kruit. Kaliumaluin is een basis voor papierlijm en wordt toegepast als vulstof van synthetisch rubber.
Kaliumverbindingen zijn de meest reactieve basische chemische verbindingen, wat bijvoorbeeld geldt voor kaliumhydroxiden en -nitraten. Kaliumhydroxide vormt kaliloog en wordt toegepast in detergenten, weekmakers, groene zeep, ontzwaveling van olie en kooldioxide-absorbers.
Andere voorbeelden van toepassing van kaliumverbindingen zijn kaliumjodide voor het meten van de oxidatieve capaciteit van afvalmonsters, kaliumdichromaat voor het meten van de oxidatieve capaciteit van organisch materiaal in de bodemkunde en de biologische afvalwaterbehandeling, en kaliumdicyano aureaat, een uiterst giftige in water oplosbare goudverbinding die wordt toegepast voor technisch vergulden. Kaliumverbindingen kunnen via de urine in het afvalwater terechtkomen. Een ongebruikelijke toepassing is het verhogen van de hoeveelheid regen in droge streken door kaliumchloride. Het komt net onder de wolken vrij uit vliegtuigen, stijgt op en verdubbelt de hoeveelheid vocht in de wolken, waardoor het harder gaat regenen.
Omdat het vrijkomen van kalium uit stortplaatsen voor huisvuil meestal uitzonderlijk hoog is, kan deze verbinding worden toegepast als indicator voor andere toxische verbindingen in het grondwater.
Wat zijn de milieu-effecten van kalium in water?
Kalium is een voedingsbehoefte van vrijwel elk organisme, behalve van een aantal bacteriën, omdat het een belangrijke rol speelt bij zenuwfuncties.
Kalium speelt een centrale rol bij de groei van planten, en beperkt deze vaak. Kalium uit dood plantaardig en dierlijk materiaal is vaak gebonden aan kleimineralen in de bodem, voordat het oplost in water. Daardoor wordt het gemakkelijk weer door planten opgenomen. Ploegen kan dit natuurlijke proces verstoren. Daarom worden vaak kaliummeststoffen aan landbouwgronden toegevoegd. Planten bevatten gemiddeld ongeveer 2% kalium (drogestofgehalte), maar de waarden kunnen variëren van 0,1-6,8%. Muggenlarven bevatten tussen 0,5 en 0,6% kalium, en kevers tussen 0,6 en 0,9% kalium (drogestofgehalte). Kaliumzouten kunnen plantencellen doden vanwege de hoge osmotische activiteit.
Kalium is zwak gevaarlijk in water, maar het verspreidt zich wel vrij snel, vanwege de relatief hoge mobiliteit en het lage transformatiepotentieel. Kaliumtoxiciteit wordt meestal veroorzaakt door andere componenten in een verbinding, bijvoorbeeld cyanide in kaliumcyanide.
De LD50-waarde voor ratten is 5 mg/kg. Voor kaliumbromaat is dit 321 mg/kg, en voor kaliumfluoride is dit 245 mg/kg. Voorbeelden van LD50-waarden voor waterorganismen zijn 132 mg/L voor vissen en 1,16 mg/L voor daphnia.
Een van de drie natuurlijk voorkomende kaliumisotopen is 40K, dat radioactief is. Men vermoedt dat deze verbinding genmodificaties bij planten en dieren veroorzaakt. Het heeft echter geen radiotoxiciteitsklasse, vanwege zijn natuurlijke oorsprong. Er zijn in totaal twaalf instabiele kaliumisotopen.
Wat zijn de gezondheidseffecten van kalium in water?
Kalium is een voedingsbehoefte voor ons, en we nemen ongeveer 1-6 g per dag op bij een behoefte van 2-3,5 g per dag. De totale hoeveelheid kalium in het menselijk lichaam ligt ergens tussen 110 en 140 g en is vooral afhankelijk van de spiermassa. De spieren bevatten het meeste kalium, na de rode bloedcellen en het hersenweefsel.
Waar zijn tegenhanger natrium aanwezig is in intracellulaire vloeistoffen, is kalium voornamelijk aanwezig in de cellen. Het houdt de osmotische druk in stand. De verhouding van kalium in de cellen tot kalium in het plasma is 27:1, en wordt geregeld door middel van natrium-kaliumpompen.
Vitale functies van kalium zijn onder meer de rol die het speelt bij zenuwprikkeling, spiersamentrekkingen, bloeddrukregeling en het oplossen van eiwitten. Het beschermt het hart en de bloedvaten en kan zelfs hart- en vaatziekten voorkomen. De verhouding natrium-kalium was vroeger 1:16, en is nu ongeveer 3:1, waardoor vooral een hoge natriumopname wordt voorkomen.
Kaliumtekort komt relatief weinig voor, maar kan leiden tot depressie, spierzwakte, hartritmestoornissen en verwardheid. Kaliumverlies kan een gevolg zijn van chronische diarree of nierziekte, omdat de fysieke kaliumbalans door de nieren wordt geregeld. Wanneer de nieren onvoldoende werken, moet de kaliuminname worden beperkt om grotere verliezen te voorkomen.
Huidcontact met kaliummetalen leidt tot bijtende kaliumcorrosie. Dit is gevaarlijker dan zure corrosie, omdat het onbeperkt doorgaat. Bijtende kaliumdruppels zijn zeer schadelijk voor de ogen.
De inname van een aantal kaliumverbindingen kan bijzonder schadelijk zijn. Bij hoge doses verstoort kaliumchloride de zenuwimpulsen, waardoor vrijwel alle lichaamsfuncties worden verstoord en vooral de hartwerking wordt aangetast. Kaliumaluin kan al bij concentraties vanaf 2 g maagklachten en misselijkheid veroorzaken en kan in hogere concentraties bijtend en zelfs dodelijk zijn. Kaliumcarbonaat is dodelijk voor volwassenen bij doses van meer dan 15 g. Hetzelfde geldt voor kaliumtartraat bij 1 g, en voor kaliumcyanide bij slechts 50 mg. Kaliumdichromaat is dodelijk bij doses tussen 6 en 8 g, en 30 g kaliumnitraat veroorzaakt ernstige vergiftiging, die de dood tot gevolg kan hebben. Wegens zijn sterk bijtende werking kan kaliumhydroxide in concentraties tussen 10 en 12 ml in een 15% causticum dodelijk zijn. Kaliumpermanganaat wordt toegepast in bleek- en desinfecteermiddelen en is dodelijk bij concentraties tussen 5 en 8 g.
Welke waterzuiveringstechnologieën kunnen worden toegepast om kalium uit water te verwijderen?
Kalium kan uit water worden verwijderd door middel van omgekeerde osmose.
Kalium wordt toegepast bij waterzuivering. Zo is kaliumpermanganaat toepasbaar voor oxidatie van watergebonden verbindingen, zoals voor verwijdering van ijzer of mangaan, en desinfectie. Dit wordt echter in het algemeen niet aanbevolen. Toepassing van kaliumpermanganaat maakt het mogelijk de oxidatieve capaciteit van organisch materiaal in water te bepalen. Over het algemeen is dit hoger dan het BZV. Kaliumdichromaat wordt toegepast voor CZV-bepaling.
Literatuur en de andere elementen en hun interactie met water