Kalium war das erste Metall, das durch Elektrolyse isoliert wurde, und markierte den Beginn einer Revolution in der Chemie. Vor seiner Entdeckung waren Kaliumverbindungen wie Pottasche (Kaliumcarbonat, K₂CO₃) bekannt und wurden seit der Antike zur Herstellung von Seife und Glas verwendet. Im Jahr 1807 gelang es dem britischen Chemiker Humphry Davy (1778–1829), metallisches Kalium zu isolieren, indem er einen elektrischen Strom durch geschmolzene Pottasche leitete, wobei er eine leistungsstarke Voltasäule verwendete. Als die ersten Tropfen metallischen Kaliums erschienen, entzündeten sie sich sofort mit einer spektakulären violetten Flamme. Davy war von dieser Entdeckung so begeistert, dass er angeblich vor Freude in seinem Labor tanzte. Einige Tage später isolierte er auf dieselbe Weise Natrium. Der Name Kalium stammt vom englischen potash, das wiederum von pot ashes (Topfasche) abgeleitet ist, da Pottasche durch Auslaugen von Holzasche in Töpfen gewonnen wurde. Das chemische Symbol K stammt vom lateinischen kalium, das vom arabischen al-qalya (Pflanzenasche) abgeleitet ist.
Kalium (Symbol K, Ordnungszahl 19) ist ein Alkalimetall der Gruppe 1 des Periodensystems. Sein Atom hat 19 Protonen, 19 Elektronen und in der Regel 20 Neutronen in seinem häufigsten Isotop (\(\,^{39}\mathrm{K}\)). Drei Isotope kommen natürlich vor: Kalium-39 (\(\,^{39}\mathrm{K}\)), Kalium-40 (\(\,^{40}\mathrm{K}\), radioaktiv) und Kalium-41 (\(\,^{41}\mathrm{K}\)).
Bei Raumtemperatur ist Kalium ein weiches, silberweißes Festmetall, das an der Luft schnell anläuft, da sich eine Oxidschicht bildet. Es ist weich genug, um mit einem Messer geschnitten zu werden. Dichte ≈ 0,862 g/cm³ (weniger dicht als Wasser, es schwimmt!). Schmelzpunkt von Kalium: 336,7 K (63,5 °C). Siedepunkt: 1.032 K (759 °C). Kalium ist chemisch extrem reaktiv, oxidiert sofort an der Luft und reagiert heftig mit Wasser, wobei Wasserstoffgas entsteht, das sich spontan mit einer charakteristischen violetten Flamme entzündet (aufgrund der atomaren Emission von Kalium). Es muss unter Mineralöl oder in einer inerten Atmosphäre aufbewahrt werden, um jede Reaktion zu verhindern.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kalium-39 — \(\,^{39}\mathrm{K}\,\) | 19 | 20 | 38,963707 u | ≈ 93,26% | Stabil | Ultra-dominantes Isotop des natürlichen Kaliums. |
| Kalium-41 — \(\,^{41}\mathrm{K}\) | 19 | 22 | 40,961826 u | ≈ 6,73% | Stabil | Zweites stabiles Isotop; in der medizinischen Verfolgung verwendet. |
| Kalium-40 — \(\,^{40}\mathrm{K}\) | 19 | 21 | 39,963998 u | ≈ 0,012% | 1,248 Milliarden Jahre | Radioaktiv: 89,3% β\(^-\) → \(\,^{40}\mathrm{Ca}\) ; 10,7% Elektroneneinfang → \(\,^{40}\mathrm{Ar}\). Wichtigste Quelle natürlicher Radioaktivität im menschlichen Körper und ein zentrales Werkzeug in der geologischen Datierung. |
| Kalium-42 — \(\,^{42}\mathrm{K}\) | 19 | 23 | 41,962403 u | Nicht natürlich | 12,355 Stunden | Radioaktiv β\(^-\) zu Calcium-42. Wird als Tracer in Medizin und biologischer Forschung verwendet. |
| Andere Isotope — \(\,^{32}\mathrm{K}\) bis \(\,^{57}\mathrm{K}\) | 19 | 13 — 38 | — (variabel) | Nicht natürlich | Millisekunden bis Minuten | Sehr instabile, künstlich hergestellte Isotope; experimentelle Kernphysik. |
Kalium ist eines der reaktivsten Metalle im Periodensystem. Es reagiert heftig und sofort mit Wasser, wobei Kaliumhydroxid (KOH) und Wasserstoffgas entstehen, das sich spontan entzündet: 2 K + 2 H₂O → 2 KOH + H₂ (mit einer charakteristischen violetten Flamme). Kalium oxidiert schnell an der Luft und bildet nacheinander Kaliumoxid (K₂O), Peroxid (K₂O₂) und Superoxid (KO₂). Es reagiert heftig mit Halogenen, Säuren und den meisten Nichtmetallen. Kalium bildet fast ausschließlich ionische Verbindungen im Oxidationszustand +I. Wichtige Verbindungen sind Kaliumhydroxid (KOH, eine starke Base), Kaliumchlorid (KCl), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Kaliumnitrat (KNO₃, Salpeter) und Kaliumpermanganat (KMnO₄). In der organischen Chemie sind Kaliumderivate wie Kalium-tert-butoxid sehr starke Basen, die als Reagenzien verwendet werden.
Kalium ist für alle Lebensformen unverzichtbar und das Hauptintrazelluläre Kation (K⁺) in allen lebenden Organismen. Es spielt eine grundlegende Rolle in vielen lebenswichtigen biologischen Funktionen. Die Natrium-Kalium-Pumpe (Na⁺/K⁺-ATPase), die in allen Zellmembranen vorhanden ist, pumpt aktiv Kalium in die Zellen und Natrium aus den Zellen heraus und verbraucht dabei etwa 20 bis 40% der gesamten metabolischen Energie des Organismus. Dieser elektrochemische Gradient ist essenziell für die Übertragung von Nervenimpulsen, Muskelkontraktion (einschließlich des Herzmuskels), die Regulierung des Zellvolumens und die Aufrechterhaltung des Membranpotentials. Kalium ist an der Regulierung des Blutdrucks, des Säure-Basen-Gleichgewichts, der Proteinsynthese und des Kohlenhydratstoffwechsels beteiligt. In Pflanzen reguliert Kalium die Öffnung und Schließung der Stomata, die Photosynthese, den Transport von Zuckern und die Resistenz gegen Krankheiten. Ein Kaliummangel (Hypokaliämie) kann Müdigkeit, Muskelkrämpfe und potenziell tödliche Herzrhythmusstörungen verursachen, während ein Überschuss (Hyperkaliämie) ebenfalls gefährlich für das Herz sein kann.
Kalium-40 ist eines der wichtigsten natürlichen Radionuklide auf der Erde. Mit einer Halbwertszeit von 1,248 Milliarden Jahren zerfällt es langsam zu Calcium-40 (89,3% der Zeit) und Argon-40 (10,7% der Zeit). Obwohl es nur 0,012% des natürlichen Kaliums ausmacht, macht seine allgegenwärtige Präsenz Kalium-40 zur Hauptquelle der inneren Radioaktivität im menschlichen Körper. Ein 70 kg schwerer Mensch, der etwa 140 Gramm Kalium enthält, erfährt etwa 4.400 radioaktive Zerfälle pro Sekunde durch Kalium-40, was zu einer jährlichen Dosis von etwa 0,17 Millisievert beiträgt. Banane, die reich an Kalium sind, enthalten natürlich Kalium-40, was zum humorvollen Konzept der "Banane-Äquivalentdosis" in der Strahlenschutzforschung geführt hat. Kalium-40 trägt auch zur inneren Erwärmung der Erde durch radioaktiven Zerfall bei, zusammen mit Uran und Thorium.
Kalium ist das siebthäufigste Element in der Erdkruste (etwa 2,1% der Masse). Es kommt in der Natur nie in metallischer Form vor, aufgrund seiner hohen Reaktivität, aber es ist in vielen Silikatmineralien (Feldspate, Glimmer) und Evaporitsalzen vorhanden. Die wichtigsten Kaliumminerale sind Sylvin (KCl), Carnallit (KMgCl₃·6H₂O) und Polyhalit. Gelöstes Kalium ist im Meerwasser in einer Konzentration von etwa 0,38 g/L vorhanden. Große Kaliumsalzvorkommen befinden sich in Kanada, Russland, Belarus und Deutschland. Kalium ist auch reichlich in Böden vorhanden und ein essenzieller Makronährstoff für die Landwirtschaft. Die Gewinnung erfolgt hauptsächlich durch den Bergbau von Salzlagerstätten, gefolgt von Raffination zur Herstellung von Kaliumchlorid oder anderen Verbindungen.
Kalium wird in Sternen während der explosiven Nukleosynthese von Supernovae durch Siliziumfusion und Neutroneneinfang produziert. Radioaktives Kalium-40 ist ein grundlegendes Werkzeug in der geologischen Datierung. Die Kalium-Argon-Datierungsmethode (K-Ar) und ihre Variante Argon-Argon (⁴⁰Ar/³⁹Ar) gehören zu den wichtigsten in der Geochronologie und ermöglichen die Datierung von Gesteinen von einigen tausend Jahren bis zu mehreren Milliarden Jahren. Diese Methoden haben es ermöglicht, das Alter der Erde, wichtige Ereignisse in der geologischen Geschichte, Meteoritenkrater und die Entwicklung der Hominiden zu datieren. Das in Mineralien eingeschlossene Argon-40 stammt ausschließlich vom Zerfall von Kalium-40 und bildet die Grundlage dieser Datierungstechnik. Das Isotopenverhältnis von Kalium in Meteoriten und Mondproben liefert Informationen über die Entstehung des Sonnensystems.
N.B.:
Die spektakuläre Reaktion von Kalium mit Wasser hat Chemiker und Studenten lange fasziniert, ist aber auch gefährlich. Wenn ein Stück Kalium auf Wasser gelegt wird, reagiert es so heftig, dass der entstehende Wasserstoff sich sofort mit einer charakteristischen violetten Flamme entzündet, und das Kalium schmilzt zu einer glänzenden Kugel, die frenetisch auf der Wasseroberfläche tanzt. Die freigesetzte Wärme kann ausreichen, um das Kaliumstück explodieren zu lassen, wobei brennende Fragmente von geschmolzenem Metall weggeschleudert werden. Aus diesem Grund muss diese klassische Demonstration mit sehr kleinen Stücken und strengen Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt werden. Die violette Flamme resultiert aus der Anregung der Kaliumelektronen, die beim Zurückkehren auf ihr Grundenergieniveau charakteristische Photonen bei 766 nm und 770 nm emittieren (Kalium-Dublett).
