Kalium
Entdecke die Welt des Kaliums! In diesem Text erfährst du mehr über das unverzichtbare Element, seine chemischen Eigenschaften, typische Reaktionen und vielseitigen Anwendungsbereiche. Du lernst, wo Kalium überall vorkommt und warum es so wichtig für unseren Körper ist. Bist du bereit, dein Chemiewissen zu erweitern? Dann tauche ein in die faszinierende Welt des Kaliums!
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Grundlagen zum Thema Kalium
Kalium – Chemie
Bestimmt hast du bereits etwas von dem chemischen Element Kalium gehört. In unserem Körper läuft fast nichts ohne Kalium, es ist ein sehr wichtiger Stoff für den Stoffwechsel. Aber wo kommt Kalium im Alltag vor und für was wird Kalium verwendet? Die Antworten auf die Fragen und viele weitere Informationen über Kalium findest du in diesem Text.
Was ist Kalium? – einfach erklärt
Das Element Kalium wird in der Chemie mit dem Symbol $\ce{K}$ abgekürzt. Kalium steht im Periodensystem der Elemente in der 1. Hauptgruppe und der 4. Periode. Kalium ist ein Metall, genauer gesagt handelt es sich um ein Alkalimetall.
Kalium – chemische Eigenschaften
Betrachtet man Kalium auf atomarer Ebene, so besitzt es vier Elektronenschalen mit insgesamt 19 Elektronen. Das Element hat ein Valenzelektron. Die Ordnungszahl von Kalium ist 19. Kalium ist sehr reaktiv. Mit anderen Elementen geht Kalium eine Ionenbindung ein. Die Ladung der Kaliumionen in diesen Verbindung hat immer den Wert eins. Die Elektronenkonfiguration von Kalium ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Kalium – Steckbrief
Einige wichtige physikalische Eigenschaften von Kalium sind in diesem Steckbrief aufgeführt:
Eigenschaft | Wert |
---|---|
Kalium – Aggregatzustand | Feststoff. Es handelt sich um ein sehr weiches Metall. |
Kalium – Farbe | silber-weiß |
Kalium – Schmelzpunkt | $\pu{63,7°C}$ |
Kalium – Siedepunkt | $\pu{774°C}$ |
Kalium – Dichte | $\pu{0,862 g/cm3}$. Kalium ist also leichter als Wasser. |
Kalium – molare Masse | $\pu{39,09 g/mol}$ |
Kalium – Reaktionen
In diesem Abschnitt betrachten wir für Kalium typische chemische Reaktionen. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Verbindungen von Kalium.
Reaktionspartner | Reaktion |
---|---|
Sauerstoff ($\ce{O2}$) | Verbrennung. Kalium ist leicht entzündlich. Dabei entsteht Kaliumhyperoxid ($\ce{KO2}$): $\ce{K + O2 → KO2}$ Bei der Verbrennung von Kalium ist eine violette Flammenfärbung zu beobachten. |
Halogene, z.B. Chlor ($\ce{Cl2}$) |
Mit Halogenen reagiert Kalium in einer starken Reaktion unter Bildung von Kaliumhalogeniden, die auch als Kaliumsalze bezeichnet werden, zum Beispiel Kaliumchlorid ($\ce{KCl}$): $\ce{2K + Cl2 → 2KCl}$ |
Wasser ($\ce{H2O}$) | Kalium reagiert mit Wasser nach folgender Reaktionsgleichung zu Kaliumhydroxid ($\ce{KOH}$): $\ce{2K + 2H2O → 2KOH + H2}$ |
Wasserstoff ($\ce{H2}$) | Kalium reagiert bei sehr hohen Temperaturen mit Wasserstoff zu Kaliumhydrid ($\ce{KH}$): $\ce{2K + H2 → 2KH}$ |
Kalium – Vorkommen
Kalium kommt in Form von Verbindungen in der Natur in Mineralien vor. Der Anteil von Natrium in der Erdkruste beträgt 2,4 %. Mineralien, in denen Kalium häufig gebunden ist, sind in folgender Liste aufgezählt:
- Sylvin (Kaliumchlorid) $\ce{KCl}$
- Sylvinit $\ce{KCl * NaCl}$
- Carnallit $\ce{KCl * MgCl2 * 6H2O}$
- Kainit $\ce{KCl * MGSO4 * 6H2O}$
- Polyhalit $\ce{K2SO4 * MgSO4 * 2CaSO4 * 2H2O}$
- Orthoklas (Kalifeldspat) $\ce{KAlSi3O}$
- Muskovit (Kaliglimmer) $\ce{KAl2}$
Kalium – Verwendung
Die Bedeutung von Kalium für den menschlichen Stoffwechsel ist sehr groß. Kaliumsalze übernehmen einige wichtige Funktionen beispielsweise bei der Regulierung des Blutdrucks und der hormonellen und neuronalen Signalweiterleitung. Außerdem ist der Mineralstoff Kalium am Stoffwechsel der Proteine und Kohlenhydrate, der Herztätigkeit und der Regulierung des Säure-Base-Gleichgewichts beteiligt. Ein Kaliummangel hat also schlimme Folgen, deshalb ist es wichtig, ausreichend kaliumhaltige Lebensmittel zu sich zu nehmen. Dazu zählen unter anderem Obst, Gemüse und Nüsse.
Folgende Liste gibt über einige Anwendungsgebiete von Kalium Auskunft. Kalium wird verwendet …
- als Düngemittel,
- als Treibmittel,
- in der chemischen Industrie als Oxidationsmittel, Trennmittel und Säureregulator,
- in Waschmittel,
- in Zahnpasta,
- und in Medikamenten, zum Beispiel gegen Schilddrüsenerkrankungen.
Dieses Video
In diesem Video wird das Element Kalium einfach erklärt. Du erfährst alles, was du für das Fach Chemie in der Schule über Kalium wissen musst.
Nach dem Betrachten des Videos hast du genügend Wissen, um in Chemie ein Referat über Kalium zu halten. Viel Spaß!
Transkript Kalium
Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Film geht es um das chemische Element Kalium. Der Film gehört zur Reihe: Elemente. An minimalen Vorkenntnissen solltest du wissen, was Basen Säuren und Salze sind. Mein Ziel ist es, dir eine Übersicht über das chemische Element Kalium und seine Verbindungen zu geben. Das Video besteht aus 8 Abschnitten: 1. Entdeckung
Stellung im Periodensystem der Elemente
Vorkommen
Herstellung
Metallisches Kalium
Biologische Bedeutung
Eine Fülle an Verbindungen
Zusammenfassung
- Entdeckung: Die Entdeckung des Kaliums fand 1807 durch den englischen Chemiker Humphry Devy statt. Er gewann das Element mittels Schmelzflusselektrolyse. Dabei verwendete er Kaliumhydroxid (KOH). Dieses erhielt er offensichtlich durch die Reaktion von Kaliumcarbonat K2CO3 mit Calciumhydroxid Ca (OH)2.
- Stellung im Periodensystem der Elemente: Kalium steht im Periodensystem der Elemente an dieser Stelle. Es ist ein Element der 1. Hauptgruppe. Damit ist es ein Alkalimetall. Der Begriff Alkali ist abgeleitet aus dem Griechischen von al-qalya, das bedeutet: Pflanzenasche. Kalium hat das chemische Symbol K. Die Oxidationszahl (OZ) des Kaliums ist +1.
- Vorkommen: Kalium findet man im Orthoklas, das ist Kalifeldspart. Die Erdhülle hat einen Anteil an Kalium von 2,4 %. Damit liegt Kalium bei der Elementehäufigkeit auf Platz 7. Kalium findet man in folgenden Mineralien: in Sylvin - Kaliumchlorid, in Sylvinit - Kaliumchlorid - Natriumchlorid oder im Carnallit - formal Kaliumchlorid mit Magnesiumchlorid und Kristallwasser. Kainit besteht formal aus Kaliumchlorid, Magnesiumsulfat und Kristallwasser. Polyhalit - der formale Aufbau heißt: Kaliumsulfat, Magnesiumsulfat, 2 Moleküle Calciumsulfat und 2 Moleküle Kristallwasser. Kalium findet man im Orthoklas, das ist Kalifeldspat. Und im Muskovit, das ist Kaliglimmer.
- Herstellung: Kalium kann man durch Elektrolyse gewinnen, zum Beispiel nach Devy aus Kaliumhydroxid oder aus Kaliumsalzen. Auch die Reduktion von Kaliumchlorid mit Natrium bei 870 °C ist möglich. Für Laborzwecke ist manchmal die Zersetzung angebracht. Hier wird Kaliumazid durch Wärme zersetzt. Es entsteht Stickstoff und Kalium wird frei.
- Metallisches Kalium: Kalium ist ein sehr unedles Alkalimetall. Es ist silbrig weiß. Kalium ist leichter als Wasser. Die Dichte ist 0,856 g/cm³, somit liegt sie zwischen den Dichten von Lithium und Natrium. Kalium ist ein sehr weiches Metall. Nach Mohs liegt seine Härte bei 0,4. Die Härte steigt in der Reihe: Kalium < Natrium < Lithium.
Kalium schmilzt niedrig, bereits bei 63 °C . Die Schmelztemperaturen von Natrium und Lithium sind höher. Kalium und seine Verbindungen zeigen die bekannte, violette Kaliumflamme.
Das Element ist leicht entzündlich und außerdem ätzend. Mitunter wird Kalium als Trockenmittel verwendet. Die niedrige Schmelztemperatur ist dafür besonders gut geeignet. Für gute Trocknung sollte das Lösungsmittel über 63° Celsius sieden. Als Kühlflüssigkeit wird eine Legierung aus Natrium und Kalium verwendet. Wolframdraht in Glühbirnen wird Kalium dotiert. Vergleicht man die Bedeutung von metallischem Natrium mit metallischem Kalium, so ist die Bedeutung des ersten Metalles erheblich größer.
Kalium lässt sich leicht verbrennen. Im Ergebnis bildet sich KO2, Kaliumhyperoxid. Mit Wasser reagiert Kalium sehr heftig. Es bilden sich Kaliumhydroxid und Wasserstoff. Die Reaktion mit Wasserstoff läuft bei erhöhten Temperaturen ab, es entsteht Kaliumhydrid. Kalium reagiert mit den Halogenen. Es entstehen Kaliumhalogenide, Salze. Mit Alkoholen reagiert Kalium unter Freisetzung von Wasserstoff. Es entstehen Alkoholate. Auch mit Ammoniak kann eine Reaktion stattfinden. Wasserstoff wird frei und es bildet sich Kaliumamid. Man achte auf den Namen. 6. Biologische Bedeutung: Kalium ist ein essenzieller Mineralstoff für die Erhaltung der Zelle. Gemeint ist natürlich nicht das Metall, sondern seine Verbindungen, wo es in Form von Ionen auftritt. Wichtig sind die Kaliumsalze. Kalium ist wichtig für die Blätter der Pflanzen, daher müssen sie mitunter mit Kalidünger versetzt werden. Für den Menschen und seine Zellen ist Kalium einfach lebensnotwendig. Man braucht Kaliumionen für die Blutdruckregelung. Kalium ist beteiligt an der Eiweißsynthese. Kalium ist notwendig für die Herztätigkeit. Man braucht Kaliumionen für die Hormonfreisetzung. Genauso wie für die Kohlenhydratverwertung. Kaliumionen sind essenziell für die Nervenreizung. Und letztlich gewährleisten sie das Säure-Base-Gleichgewicht. Die tierischen Zellen sind einfach auf Kaliumionen angewiesen. 7. Eine Fülle an Verbindungen: Die Zahl der Kaliumverbindungen ist riesig und seid mir bitte nicht böse, wenn ich vielleicht die ein oder andere hier nicht nennen kann. Betrachten wir zunächst die Oxide, Hydroxide und Carbonate. Kaliumoxid: Bei der Verbrennung entsteht es nicht, es muss aus Kaliumperoxid mit Kalium gewonnen werden. Häufig wird fiktives K2O für die Mengenangabe bei Düngemitteln verwendet. Kaliumhyperoxid: Es entsteht bei der Verbrennung von Kalium und hat eine interessante Eigenschaft. Es reagiert nämlich mit dem Kohlenstoffdioxid und Wasser zu Kaliumhydrogencarbonat, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. Verwendet wird diese Reaktion in sogenannten Tauchrettern. Sie kommt auch in Unterseeboten zum Einsatz. Pottasche: Pottasche gewinnt man durch Reaktion von Kaliumhydroxid und Kohlenstoffdioxid. Der chemische Name ist Kaliumcarbonat. Eine der vielen Anwendungen der Pottasche ist die als Treibmittel. Die Anwendungen sind so vielfältig, dass man ein ganzes Buch darüber schreiben könnte. Kaliumhydrogencarbonat: Das Salz verwendet man als Trennmittel oder als Säureregulator. Kaliumhydroxid: Die Formel lautet KOH. Als feste Substanz nennt man es Ätzkali, in wässriger Lösung Kalilauge. Auch über Kaliumhydroxid könnte man ein ganzes Buch schreiben. Halogenide des Kaliums und das sind ohne Zweifel Salze.
Kaliumflorid KF: Man braucht es bei der Holzkonservierung und bei der Zahnpflege.
Kaliumchlorid: Es ist ein wertvoller Dünger. Man stellt daraus Kaliumhydroxid und Kaliumcarbonat her. Und außerdem, ja richtig, man kann ein ganzes Buch darüber schreiben. Kaliumbromid, KBr: Unter anderem wird es in der Infrarotspektroskopie eingesetzt, weil es die infraroten Strahlen gut durchlässt. Kaliumiodid, KI: wird für die Heilung der Schilddrüse verwendet. Man gewinnt Präparate. Sauerstoffhaltige Salze. Kaliumchlorat, Kaliumbromat und Kaliumiodat. Es sind Oxidationsmittel. Sie werden für chemische Oxidationen eingesetzt.
Kaliumperchlorat ist Bestandteil von Feuerwerksmischungen.
Kaliumsulfat: Auch über dieses Salz könnte man ein ganzes Buch schreiben.
Kaliumphosphat findet nach wie vor Verwendung in Waschmitteln, obwohl das nicht gut ist.
Kaliumdihydrogenphosphat ist Bestandteil von Pufferlösungen.
Und es ist noch lange nicht Schluss: Kaliumcyanid und Kalumhydrid werden in der organischen Synthese verwendet.
Kaliumthiocyanat, Seignettesalz, Gelbes Blutlaugensalz und Rotes Blutlaugensalz werden in der chemischen Analyse benutzt. Und es gibt noch viele andere mehr: Kaliumnitrat, Kaliumpermanganat ganz wichtig, aber wir machen hier mal einen Punkt. 8. Zusammenfassung.
Das chemische Element Kalium hat in metallischer Form nur beschränkte Bedeutung. Die löslichen Kaliumverbindungen hingegen sind unersetzlich für Leben und Zivilisation.
Kalium Übung
-
Nenne die biologische und physiologische Bedeutung von Kalium-Ionen.
TippsDie abgebildete Natrium-Kalium-Pumpe ist ein in die Zellmembran verankertes Protein ($3~Na^+/ 2~K^+$-ATPase). Dieses System dient der Aufrechterhaltung von Zellen.
Die Zellatmung erfolgt in den Mitochondrien der tierischen Zelle.
LösungKalium hat eine große biologische Bedeutung bei dem Einsatz als Düngemittel oder bei Funktionen im menschlichen Körper.
Wasserlösliche Kaliumsalze wie Kaliumnitrat oder Kaliumphosphat werden als Düngemittel für Pflanzen eingesetzt, da diese die Kaliummineralien aus dem Boden (z.B. Kaliumsilicate oder Kaliumglimmer) nur schwer aufschließen können.
Bei den Lebewesen dient Kalium als essenzieller Mineralstoff zur Erhaltung des Lebens. Es beteiligt sich als Kation ($K^+$) an vielen physiologischen Prozessen, wie z.B.
- Reizbildung und Reizleitung,
- Regulation des Zellwachstums,
- Aufrechterhaltung eines normalen Blutdrucks,
- Regulation des Säuren-Basen-Gleichgewichtes,
- Beeinflussung der Freisetzung von Hormonen (z. B. Insulin) und
- Kohlenhydratverwertung und Eiweißsynthese.
-
Bestimme die stöchiometrische Zusammensetzung folgender Kaliumverbindungen.
TippsKalium ist ein Alkalimetall, d.h. ein Element der ersten Hauptgruppe, und gleicht in der salzartigen Zusammensetzung den Gruppenhomologen wie z.B. Natrium und Lithium.
Kalium hat in Verbindungen die Oxidationsstufe +1.
Die Oxidationsstufe entspricht bei salzartigen Verbindungen der Ionenladung.
LösungBei den obigen Verbindungen handelt es sich um Oxide, Hydroxide und Carbonate des Kaliums.
Bei der Reaktion von Kalium mit Sauerstoff bildet sich das Kaliumhyperoxid:
- $\overset{\pm 0}{K} + \overset{\pm 0}{O_2} \rightarrow \overset{+1}{K}\overset{-0,5}{O_2}$.
- $2~K + \overset{\pm 0}{O_2} \rightarrow K_2\overset{-1}{O}_2$
- $K_2\overset{-1}{O}_2 + 2~\overset{\pm 0}{K} \rightarrow 2~K_2\overset{-2}{O}$.
- $2~\overset{\pm 0}{K} + 2~\overset{+1}{H}_2O \rightarrow 2~\overset{+1}{K}OH + \overset{\pm 0}{H_2}$.
- $2~KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$.
-
Begründe die äußerst hohe Reaktivität von Kalium.
TippsJede Hauptgruppe ist eine Spalte (senkrecht) und jede Periode ist eine Zeile (waagerecht) im Periodensystem.
Kaliumchlorid ist ein Salz.
Kalium hat in Verbindungen die Oxidationsstufe +1. Es liegt als Ion vor.
LösungAlkalimetalle sind Leichtmetalle, die nur ein einziges Valenzelektron besitzen. Durch diese elektronische Struktur sind viele Eigenschaften zu begründen:
Kalium hat in Verbindungen immer die Oxidationsstufe +1 (d.h. es liegt als $K^+$-Ion vor), weil es durch die Abgabe eines Elektrons eine volle Valenzschale erhält (siehe Bild).Nach der Oktettregel streben alle Atome in Verbindungen eine volle Außenschale an. Deswegen liegen z.B. die Halogene oder auch Stickstoff in der Atmosphäre immer molekular ($N_2,~Cl_2, \dots$) vor. Dadurch erreicht jedes Atom formal 8 Außenelektronen, wenn es sich mit einem zweiten Atom die Elektronen teilt (Elektronenpaarbindung, Lewis-Schreibweise).
Bei den Alkalimetallen kommt es allerdings nicht zur Ausbildung von Elektronenpaarbindungen, sondern zur Ausbildung von Ionenverbindungen (Salzen). Dadurch dass die Ionisierungsenergie der Alkalimetalle sehr klein ist (leichte $e^-$-Abgabe) und die Elektronenaffinität der Halogene sehr hoch ist (erreichen der $8~e^-$ durch Aufnahme eines Elektrons), bilden beide Elemente Salzverbindungen.- $2~\overset{\pm 0}{K} + \overset{\pm 0}{Cl_2} \rightarrow 2~\overset{+1}K\overset{-1}Cl + \Delta E$
-
Vervollständige folgende Reaktionsgleichungen.
TippsDie Reaktion von Kalilauge mit Kohlenstoffdioxid ist eine Säure-Base Reaktion.
Kaliumazid ist Ausgangsstoff zur Kaliumherstellung im Labor.
LösungEine der obigen Verbindungen ist Ätzkali, welches in wässriger Lösung auch als Kalilauge bezeichnet wird. Dieses Salz ist eine starke Base, die bei der Umsetzung von Kalium mit Wasser entsteht (Redoxreaktion). Aus der Kalilauge kann Pottasche gewonnen werden, indem Kohlenstoffdioxid in die Basenlösung eingeleitet wird (Säure-Base-Reaktion):
- $2~KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$.
- $4~K\overset{-0,5}{O_2} + 4~C\overset{-2}{O_2} + 2~H_2\overset{-2}{O} \rightarrow 4~KHC\overset{-2}{O_3} + 3~\overset{\pm 0}{O_2}$.
- $2~KN_3 \xrightarrow{°C} 2~K + 3~N_2$.
- $2~\overset{\pm 0}{K} + 2~\overset{-3}{N}\overset{+1}{H_3} \rightarrow 2~\overset{+1}{K}\overset{-3}{N}\overset{+1}{H_2} + \overset{\pm 0}{H_2}$.
-
Entscheide, welche Kaliumverbindungen als Oxidationsmittel dienen können.
TippsDas Kalium behält bei Redoxprozessen die Oxidationsstufe bei.
Das Oxidationsmittel enthält ein Element in einer hohen Oxidationsstufe (+5).
Das gesuchte Oxidationsmittel enthält ein Atom aus der 7. Hauptgruppe.
LösungBei den Kaliumsalzen dienen die Chlorate (${ClO_3}^-$), Bromate (${BrO_3}^-$) und Iodate (${IO_3}^-$) als Oxidationsmittel. Das bedeutet, dass diese Substanzen in einer Redoxreaktion Elektronen aufnehmen und damit den Reaktionspartner oxidieren, da dieser die Elektronen abgibt. Eine Beispielreaktion ist z.B. die Oxidation von Kohlenstoff mit Kaliumchlorat:
Oxidation: $3~\overset{\pm 0}{C} + 6~O^{2-} \rightarrow 3~\overset{+4}{C}O_2 + 12~e^-$
Reduktion: $2~K\overset{+5}{Cl}O_3 + 12~e^- \rightarrow 6~O^{2-} + 2~K\overset{-1}{Cl}$ _______________________________________________
Redox: $2~KClO_3 + 3~C \rightarrow 2~KCl + 3~CO_2$.
-
Bestimme die Trends im Periodensystem am Beispiel der Alkalimetalle.
TippsKalium hat eine Mohshärte von 0,4 und Lithium eine von 0,6.
Kalium hat eine geringere Ionisierungsenergie als Lithium.
Wasserstoff ist gasförmig, leitet nicht den elektrischen Strom und auch keine Wärme.
LösungZu den Alkalimetallen gehören Lithium ($Li$), Natrium ($Na$), Kalium ($K$), Rubidium ($Rb$), Caesium ($Cs$) und Francium ($Fr$). Wasserstoff gehört nicht mit in die Gruppe der Alkalimetalle, da es ein klassisches Nichtmetall ist (gasförmig, elektrisch nicht leitend). Die Alkalimetalle stehen in einer Gruppe, da sie viele gemeinsame Eigenschaften haben. Dazu gehören die metallischen Eigenschaften wie z.B.
- Glanz,
- Wärmeleitfähigkeit,
- elektrische Leitfähigkeit und
- mechanische Verformbarkeit (Alkalimetalle sind Leichtmetalle, die so weich sind, dass sie sich mit einem Messer schneiden lassen).
Innerhalb der Gruppe (d.h. von Lithium → Francium) sinken die Schmelzpunkte, die Mohshärte und die Elektronegativität. Im Allgemeinen besitzen die Alkalimetalle die geringsten Elektronegativitäten im Periodensystem (0,98 (Li) bis 0,79 (Cs)). Die Elektronegativität ist ein Maß dafür, wie stark ein Element die Elektronendichte zu sich zieht (ermittelt aus der Elektronenaffinität und der Ionisierungenergie). Innerhalb einer Periode steigt die Elektronegativität von links nach rechts an, allerdings sinkt sie innerhalb jeder Gruppe von oben nach unten.
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