Kalium (K) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Kalium ist ein chemisches Element, das im menschlichen Körper ebenso unverzichtbar ist wie in der Landwirtschaft. Das silbrig glänzende Alkalimetall mit dem Elementsymbol K und der Ordnungszahl 19 reagiert so heftig mit Wasser, dass es in der Natur nicht elementar vorkommt. In Form seiner Verbindungen ist Kalium jedoch weit verbreitet: Es steckt in Mineralen, Böden, Meerwasser und zahlreichen Lebensmitteln. Besonders bekannt ist Kalium als wichtiger Nährstoff in Bananen – doch seine Bedeutung reicht von der Funktion unserer Nervenzellen bis zur Herstellung von Düngemitteln.

Kalium im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Im blume Online-Periodensystem steht Kalium in der ersten Hauptgruppe unter Natrium und über Rubidium. Es folgt auf das Edelgas Argon und eröffnet die vierte Periode.

Was ist Kalium?

Kalium gehört zur Gruppe der Alkalimetalle. Wie Lithium, Natrium, Rubidium, Caesium und Francium besitzt es nur ein Elektron in seiner äußersten Elektronenschale. Dieses Außenelektron kann relativ leicht abgegeben werden, wodurch ein einfach positiv geladenes Kaliumion (K⁺) entsteht.

Die hohe Reaktivität erklärt, weshalb elementares Kalium in der Natur nicht frei vorkommt. Stattdessen ist es Bestandteil zahlreicher Salze und Minerale. Während metallisches Kalium gefährlich mit Wasser reagiert, sind viele seiner Verbindungen für Pflanzen, Tiere und Menschen lebensnotwendig.

Der Name Kalium geht auf das arabische Wort al-qaly zurück, das sich auf Pflanzenasche bezieht. Das Elementsymbol K leitet sich vom lateinischen Namen kalium ab. Im Englischen heißt das Element potassium, eine Bezeichnung, die auf die historische Gewinnung von Pottasche zurückgeht.

Welche Eigenschaften hat Kalium?

Ein ungewöhnlich weiches und leichtes Metall

Reines Kalium ist ein silbrig weißes Metall, das so weich ist, dass es sich mit einem Messer schneiden lässt. Frisch angeschnittene Oberflächen glänzen metallisch, laufen an der Luft jedoch schnell an, weil Kalium mit Sauerstoff und Feuchtigkeit reagiert.

Mit einer Dichte von ungefähr 0,862 g/cm³ ist Kalium leichter als Wasser. Ein Stück Kalium würde deshalb zunächst auf der Wasseroberfläche schwimmen – allerdings reagiert es dort sofort heftig mit dem Wasser.

Auch sein Schmelzpunkt ist für ein Metall ungewöhnlich niedrig: Bereits bei etwa 63,4 °C wird Kalium flüssig.

Warum reagiert Kalium so heftig mit Wasser?

Kalium gibt sein einzelnes Außenelektron leicht ab. Bei Kontakt mit Wasser entstehen Kaliumhydroxid und Wasserstoff. Die Reaktion lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben:

2 K + 2 H₂O → 2 KOH + H₂

Dabei wird sehr viel Wärme frei. Das Metall kann schmelzen und sich über die Wasseroberfläche bewegen. Der entstehende Wasserstoff kann sich entzünden; unter bestimmten Bedingungen verläuft die Reaktion explosionsartig.

Kalium darf deshalb niemals ungeschützt mit Wasser in Berührung kommen. Im Labor wird es unter geeigneten Schutzflüssigkeiten und unter strengen Sicherheitsvorkehrungen aufbewahrt.

Welche Flammenfarbe hat Kalium?

Kaliumverbindungen erzeugen bei der Flammenprobe eine charakteristische blassviolette bis lilafarbene Flammenfärbung. Sie entsteht, wenn Elektronen in angeregten Kaliumatomen auf niedrigere Energieniveaus zurückfallen und dabei Licht aussenden.

Die violette Farbe kann durch die intensive gelbe Emission geringer Natriumverunreinigungen überdeckt werden. Deshalb wird bei klassischen Flammenproben manchmal ein Kobaltglas verwendet, um die Kaliumfärbung besser sichtbar zu machen.

Wie wurde Kalium entdeckt?

Kalium wurde 1807 vom britischen Chemiker Humphry Davy erstmals als eigenständiges Element isoliert. Davy untersuchte die Wirkung des elektrischen Stroms auf geschmolzene chemische Verbindungen und entwickelte damit die Elektrolyse zu einem wichtigen Verfahren der Elemententdeckung.

Durch die Elektrolyse von geschmolzenem Kaliumhydroxid gelang es ihm, kleine Mengen metallischen Kaliums zu gewinnen. Die Entdeckung war wissenschaftlich bedeutsam, weil sie zeigte, dass die zuvor als elementar angesehenen Alkalien aus einem Metall und weiteren Bestandteilen bestehen.

Noch im selben Jahr isolierte Davy auch Natrium. Seine Arbeiten trugen entscheidend zum Verständnis chemischer Verbindungen und zur Entwicklung der modernen Elektrochemie bei.

Wo kommt Kalium in der Natur vor?

Kalium ist ein häufiges Element der Erdkruste. Es kommt vor allem in Form von Mineralen und gelösten Kaliumionen vor. Zu den wichtigen kaliumhaltigen Mineralen gehören Feldspäte, Glimmer und verschiedene Kalisalze.

Bedeutende natürliche Kaliumverbindungen sind unter anderem:

• Sylvin (KCl): Kaliumchlorid, ein wichtiges Rohmaterial für Kalidünger.

• Carnallit (KMgCl₃ · 6 H₂O): ein wasserhaltiges Kalium-Magnesium-Chlorid.

• Kalifeldspäte: silikatische Minerale, die Kalium in ihrer Kristallstruktur enthalten.

• Kaliumhaltige Glimmer: weit verbreitete Bestandteile vieler Gesteine.

Durch Verwitterung gelangen Kaliumionen aus Gesteinen in den Boden. Dort können sie von Pflanzenwurzeln aufgenommen werden. Kalium ist außerdem in Meerwasser und natürlichen Salzlagerstätten enthalten.

Wie wird Kalium gewonnen?

Metallisches Kalium wird industriell nicht einfach aus wässrigen Kaliumsalzlösungen gewonnen, da Wasser an der Elektrolyse beteiligt wäre und das entstehende Metall sofort reagieren würde.

Ein etabliertes Verfahren nutzt die Umsetzung von geschmolzenem Kaliumchlorid mit metallischem Natrium bei hohen Temperaturen. Dabei entsteht Kaliumdampf, der anschließend abgetrennt werden kann:

KCl + Na ⇌ NaCl + K

Die industrielle Bedeutung des elementaren Metalls ist allerdings wesentlich geringer als die seiner Verbindungen. Der größte Teil der gewonnenen Kalisalze wird für Düngemittel und chemische Produkte verwendet.

Warum ist Kalium für den Menschen lebenswichtig?

Kalium gehört zu den essenziellen Mineralstoffen. Im menschlichen Körper liegt es überwiegend als Kaliumion (K⁺) vor und befindet sich zum größten Teil innerhalb der Zellen.

Gemeinsam mit Natrium spielt es eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung elektrischer Spannungsunterschiede an Zellmembranen. Diese Spannungsunterschiede sind Voraussetzung für die Erregungsleitung in Nerven und für die Kontraktion von Muskeln.

Kalium und die Natrium-Kalium-Pumpe

Eine besonders wichtige Funktion übernimmt die Natrium-Kalium-ATPase, ein Transportprotein in der Zellmembran. Unter Verbrauch von ATP transportiert sie typischerweise drei Natriumionen aus der Zelle und zwei Kaliumionen in die Zelle.

Dadurch werden die unterschiedlichen Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle aufrechterhalten. Diese Konzentrationsunterschiede sind grundlegend für Nervenimpulse, Muskelbewegungen und zahlreiche weitere Zellfunktionen.

Welche Lebensmittel enthalten Kalium?

Kalium kommt in vielen pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln vor. Gute Quellen sind beispielsweise Kartoffeln, Hülsenfrüchte, Gemüse, Nüsse, Trockenfrüchte und Bananen.

Bananen gelten zwar als besonders bekannte Kaliumquelle, sind aber keineswegs die einzigen oder grundsätzlich kaliumreichsten Lebensmittel. Entscheidend ist eine insgesamt ausgewogene Ernährung.

Sowohl ein ausgeprägter Kaliummangel als auch ein zu hoher Kaliumspiegel im Blut können gefährliche Herzrhythmusstörungen verursachen. Besonders bei eingeschränkter Nierenfunktion oder bestimmten Medikamenten muss die Kaliumzufuhr medizinisch berücksichtigt werden.

Welche Bedeutung hat Kalium für Pflanzen?

Kalium ist neben Stickstoff und Phosphor einer der drei wichtigsten Hauptnährstoffe für das Pflanzenwachstum. In der Landwirtschaft werden diese Nährstoffe häufig als NPK zusammengefasst.

Pflanzen benötigen Kalium unter anderem für die Regulation ihres Wasserhaushalts, die Aktivierung zahlreicher Enzyme und den Transport von Stoffwechselprodukten. Auch die Öffnung und Schließung der Spaltöffnungen in Blättern wird durch Ionenbewegungen beeinflusst, an denen Kalium wesentlich beteiligt ist.

Eine ausreichende Kaliumversorgung kann die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber bestimmten Stressbedingungen verbessern. Fehlt Kalium, können beispielsweise Wachstumsstörungen und Verfärbungen an älteren Blättern auftreten.

Wofür wird Kalium verwendet?

Kalium in Düngemitteln

Die wirtschaftlich wichtigste Anwendung von Kaliumverbindungen ist die Herstellung von Kalidüngern. Besonders Kaliumchlorid und Kaliumsulfat werden eingesetzt, um landwirtschaftliche Böden mit Kalium zu versorgen.

Kalium wird bei der Ernte mit den Pflanzen vom Feld entfernt. Um langfristig eine ausreichende Nährstoffversorgung zu gewährleisten, muss der Kaliumhaushalt des Bodens berücksichtigt werden.

Kaliumverbindungen in der Chemie

Kaliumhydroxid (KOH), auch Ätzkali genannt, ist eine stark alkalische Verbindung. Es wird unter anderem bei der Herstellung bestimmter Seifen, in chemischen Synthesen und in verschiedenen technischen Prozessen verwendet.

Kaliumcarbonat (K₂CO₃), historisch als Pottasche bekannt, wird beispielsweise in der Glasindustrie und in chemischen Verfahren eingesetzt.

Kaliumnitrat (KNO₃) ist Bestandteil verschiedener technischer Mischungen und kann auch als Düngemittel dienen. Aufgrund seiner oxidierenden Eigenschaften erfordert es einen sachgerechten Umgang.

Kalium in Spezialanwendungen

Elementares Kalium und bestimmte Kaliumlegierungen werden für ausgewählte chemische und technische Anwendungen verwendet. Aufgrund ihrer hohen Reaktivität sind dafür besondere Schutzmaßnahmen erforderlich.

Kaliumhaltige Verbindungen spielen außerdem in der Analytik, Elektrochemie und Materialforschung eine wichtige Rolle.

Welche Isotope besitzt Kalium?

Natürliches Kalium besteht überwiegend aus den beiden stabilen Isotopen Kalium-39 (³⁹K) und Kalium-41 (⁴¹K). Hinzu kommt ein sehr kleiner Anteil des radioaktiven Kalium-40 (⁴⁰K).

Kalium-40 besitzt eine Halbwertszeit von ungefähr 1,25 Milliarden Jahren. Es zerfällt unter anderem zu Calcium-40 und Argon-40. Der Zerfall zu Argon bildet die Grundlage der Kalium-Argon-Datierung, mit der sich das Alter bestimmter Gesteine und Minerale bestimmen lässt.

Da Kalium-40 natürlicherweise in kaliumhaltigen Lebensmitteln und im menschlichen Körper vorkommt, trägt es auch zur natürlichen Strahlenexposition bei. Diese Tatsache macht kaliumhaltige Lebensmittel jedoch nicht gefährlich.

Ist Kalium gefährlich?

Hier muss zwischen elementarem Kalium und seinen chemischen Verbindungen unterschieden werden.

Metallisches Kalium ist hochreaktiv. Es kann sich an feuchter Luft verändern und bei Kontakt mit Wasser Brände oder Explosionen verursachen. Es gehört ausschließlich in fachkundige Hände und muss unter geeigneten Bedingungen gelagert werden.

Kaliumionen in Lebensmitteln sind dagegen lebensnotwendig. Auch viele Kaliumsalze werden in Landwirtschaft, Lebensmitteltechnik und Medizin eingesetzt. Ihre Sicherheit hängt jedoch von der jeweiligen Verbindung, Konzentration und Anwendung ab.

Fünf interessante Fakten über Kalium

1. Kalium wurde mit elektrischem Strom entdeckt. Humphry Davy isolierte das Metall 1807 durch Elektrolyse.

2. Kalium schwimmt auf Wasser. Seine geringe Dichte macht es leichter als Wasser – die heftige chemische Reaktion verhindert jedoch ein ruhiges Schwimmen.

3. Kalium erzeugt eine violette Flamme. Die charakteristische Flammenfärbung wird in der chemischen Analytik genutzt.

4. Kalium ist für Nervenimpulse unverzichtbar. Ohne die unterschiedlichen Konzentrationen von Natrium- und Kaliumionen könnten Nervenzellen nicht normal funktionieren.

5. Kalium verbindet Biologie und Geologie. Während Kaliumionen in jeder lebenden Zelle wichtig sind, ermöglicht das radioaktive Isotop Kalium-40 die Datierung alter Gesteine.

Kalium im Periodensystem verstehen

Kalium zeigt besonders anschaulich, wie die Elektronenstruktur eines Elements seine chemischen Eigenschaften bestimmt. Das einzelne Außenelektron erklärt seine hohe Reaktivität und die bevorzugte Bildung einfach positiv geladener Ionen.

Gleichzeitig verdeutlicht Kalium den Unterschied zwischen den Eigenschaften eines reinen Elements und denen seiner Verbindungen: Während metallisches Kalium gefährlich mit Wasser reagiert, sind Kaliumionen für nahezu alle Lebewesen unverzichtbar.

Weitere Informationen zur Stellung von Kalium, seiner Elektronenkonfiguration und den benachbarten Elementen finden Sie im blume Online-Periodensystem.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9.

Wissenschaftliche Referenzen

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements. https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Standard Atomic Weights – Potassium. https://ciaaw.org/

• Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Potassium. https://www.rsc.org/periodic-table/element/19/potassium

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Spectra Database. https://www.nist.gov/

• Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE): Kalium – Referenzwerte. https://www.dge.de/