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Kalium (K) und Wasser

Kalium und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte

Reaktionen Löslichkeit Quellen Umwelt Gesundheit Wasserbehandlung

In Meerwasser ist Kalium zu circa 400 ppm enthalten. Es neigt jedoch dazu, sich in den Sedimenten abzulagern. Flüsse enthalten hingegen im Allgemeinen nur etwa 2-3 ppm Kalium. Dies liegt wohl unter anderem daran, dass es in ozeanischen Basalten in Konzentrationen von etwa 2000 ppm vorkommt. Calciumreicher Granit enthält sogar 2,5% Kalium. In gelöstem Zustand liegt das Element fast ausschließlich als K+(aq) vor.
40K ist ein von Natur aus weit verbreitetes radioaktives Isotop. Im Meerwasser liegt die natürliche Konzentration dieses Nuklids bei circa 4,5.10-5 g/L

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Kalium mit Wasser?

Kalium reagiert sehr schnell und heftig mit Wasser und bildet dabei eine farblose basische Kaliumhydroxidlösung und Wasserstoffgas. Die Reaktionsgleichung lautet wie folgt:

2K(s) + 2H2O → 2KOH(aq) + H2(g)

Die Reaktion ist exotherm, wobei das Kalium so heiß wird, dass es Feuer fängt und mit violetter Flamme brennt, und auch der freiwerdende Wasserstoff sich entzündet. Kalium reagiert mit Wasser langsamer als Rubidium, das im Periodensystem unter ihm steht, aber schneller als Natrium, das im Periodensystem den Platz über ihm einnimmt.

Abbildung: www.aljevragen.nl

Wasserlöslichkeit von Kalium und/oder seinen Verbindungen

Kalium ist nicht in Wasser löslich, sondern reagiert mit diesem wie oben beschrieben. Kaliumverbindungen können hingegen sehr wohl wasserlöslich sein. Beispiele hierfür sind Kaliumdichromat mit einer Wasserlöslichkeit von 115 g/L, Kaliumpermanganat mit 76 g/l, Kaliumiodat mit 92 g/L und Kaliumiodid, von dem sogar 1480 g in einem Liter Wasser gelöst werden können.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Kalium ins Wasser gelangen?

Kalium kommt in verschiedenen Mineralien vor, aus denen es durch Verwitterungsprozesse gelöst werden kann. Beispiele hierfür sind die Feldspate Orthoklas und Mikroklin, die für die Produktion von Kaliumverbindungen jedoch eher unwichtig sind, die Chlormineralien Carnalit und vor allem Sylvit, der zu Produktionszwecken am günstigsten ist. Auch Tonmineralien enthalten Kalium. Es gelangt also unter anderem auf natürliche Weise in die Meere, wo es sich vor allem in den Sedimenten ablagert.
Elementares Kalium wird aus Kaliumchlorid hergestellt, hat jedoch wegen seiner Reaktionsfreudigkeit nur wenige Verwendungszwecke. Es wird in Legierungen und für organische Synthesen genutzt.
Einige Kaliumverbindungen, vor allem Kaliumnitrat, sind als Düngemittel weit verbreitet. 95% des kommerziell genutzten Kaliums dient diesem Zweck. Auch Kalisalze, Gemische mit Magnesium- und Calciumverbindungen, werden hierfür gerne verwendet. Bei ihrer Aufbereitung entstehen Abwässer, die Schäden verursachen, wenn sie in Gewässer eingeleitet werden, und die Trinkwasseraufbereitung erschweren.
Bei der Herstellung von Glas macht man Gebrauch von Kalium, da es dieses stärker und kratzfest macht. Dieses Glas wird vor allem gerne für Fernseher verwendet.
Andere Kaliumverbindungen werden für die Produktion von Flüssigseifen und Reinigungsmitteln genutzt, an Medikamente oder Infusionen hinzugefügt, in der Fotografie oder beim Gerben von Leder verwendet. In eigentlich allen Fällen ist das zugehörige Anion und nicht das Kaliumion der Grund für ihre Funktionsweise. Dies gilt auch bei der Nutzung von Kaliumchlorat für Streichholzköpfe und Feuerwerkskörper und Kaliumnitrat für Schießpulver. Kaliumalaun ist die Basis für Papierleime und dient als Füllstoff für synthetisches Gummi.
Interessant ist auch, dass Kaliumverbindungen mit die am meisten basisch reagierenden Chemikalien sind, was in besonderem Maße beispielsweise für sein Hydroxid, Nitrat, Carbonat, Chlorit, Chlorat und Bromid gilt. Kaliumhydroxid bildet mit Wasser Kalilauge und ist in Waschmitteln, Wasserenthärtern, Schmierseifen, Entschwefelungsanlagen für Erdöl und Absorptionsmittel für Kohlenstoffdioxid enthalten.
Weitere Beispiele für die Nutzung von Kaliumverbindungen sind Kaliumiodat, das früher zur Messung der Oxidierbarkeit von Abwasserproben eingesetzt wurde, Kaliumdichromat, das der Messung der Oxidierbarkeit von organischer Substanz in bodenkundlichen und abwasserbiologischen Verfahren dient, oder auch Kaliumdicyanoaurat(I), eine extrem giftige, wasserlösliche Goldverbindung, die zur technischen Vergoldung genutzt wird.
Nicht zuletzt können Kaliumverbindungen auch über den Urin ins Wasser gelangen.
Ein außergewöhnlicher Verwendungszweck ist die Vermehrung des Regenfalls in trockenen Regionen mit Kaliumchlorid, das mit Flugzeugen etwas unter Wolkenhöhe gebracht wird, nach oben steigt und bewirkt, dass der Regenfall sich verdoppelt indem die Wolken mehr ihrer Feuchtigkeit freigeben.
Da Kaliumkonzentrationen im Abstrom von Hausmülldeponien oft besonders hoch sind, kann der Stoff als Indikator dienen, dass eventuell auch andere Schadstoffe im Grundwasser vorhanden sind.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Kalium entstehen?

Kalium ist ein für fast alle Lebewesen, abgesehen von einigen Bakterien, essentielles Element, da es etwa bei Nervenfunktionen eine wichtige Rolle einnimmt.
Vor allem in Pflanzen hat es eine Schlüsselposition. Das Wachstum von Wildpflanzen ist oft von der Verfügbarkeit von Kalium abhängig. Es wird, abstammend von abgestorbenen Pflanzen und tierischen Exkrementen, im Boden, noch bevor es in Lösung gehen kann, an Tonmineralien gebunden und kann daher von den Wurzeln neuer Pflanzen gut wieder aufgenommen werden. Pflügen stört diesen natürlichen Prozess, weswegen in der Landwirtschaft Düngemittel eingesetzt werden. Der Kaliumgehalt von Pflanzen beträgt durchschnittlich etwa 2% der Trockenmasse, wobei die einzelnen Werte von etwa 0,1-6,8% reichen. Zum Vergleich sind die Konzentrationen in Mückenlarven etwa 0,5-0,6% und in Bodenlaufkäfern 0,6-0,9% der Trockenmasse.
Kalisalze können jedoch auch Pflanzenzellen abtöten, indem sie sie verätzen, und sind stark osmotisch wirksam.
Kalium gilt als schwach wassergefährdend und wurde somit in die Wassergefährdungsklasse 2 eingeordnet. Ihm wird jedoch, wegen seiner hohen Mobilität und des geringen Transformationspotenzials, ein hohes Ausbreitungspotential zugeordnet. Die Giftigkeit von Kaliumverbindungen ist eigentlich immer auf eine andere Komponente der Verbindung zurückzuführen, wie etwa das Cyanid bei Kaliumcyanid.
Der LD50-Wert, der die Dosis eines Stoffes angibt, bei der die Hälfte einer Population stirbt, liegt für Kaliumcyanid bei der Ratte bei 5 mg/kg. Bei Kaliumbromat sind dies 321 mg/kg und bei Kaliumfluorid 245 mg/kg. Was Wasserlebewesen angeht, ist ein Beispiel Kaliumdichromat mit einem LC50-Wert von 132 mg/L für Fische und 1,16 mg/L für Wasserflöhe, was der Konzentration entspricht, bei der 50% einer Population sterben.
Eines der drei natürlich vorkommenden Kaliumisotope, 40K, ist radioaktiv. Es wird vermutet, dass jenes Genmodifikationen in Pflanzen und Tieren verursacht. Wegen seiner natürlichen Herkunft wird es jedoch keiner Radiotoxizitätsklasse zugeordnet.
Des weiteren gibt es zwölf instabile Isotope dieses Elements.

Welche Gesundheitseffekte kann Kalium im Wasser verursachen?

Kalium ist ein für den Menschen essentielles Element, von dem er täglich etwa 1-6 g aufnimmt, wobei er etwa 2-3,5 g benötigt. Die Gesamtmenge an Kalium im menschlichen Körper liegt bei etwa 110-140 g und hängt vom Muskelanteil ab. Diese enthalten nach den roten Blutkörperchen und neben Gehirngewebe am meisten Kalium.
Während sich sein Gegenspieler Natrium in der intrazellulären Flüssigkeit befindet, kommt Kalium in den Zellen vor. Dort hilft es, das osmotische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Das Kaliumverhältnis zwischen Zelle und Plasma liegt bei 27:1 und wird etwa mit Hilfe von Natrium-Kalium-Pumpen in den Membranen reguliert.
Die Funktionen, die Kalium einnimmt, sind beispielsweise seine Rolle bei der Reizbarkeit des Nervensystems, den Muskelkontraktionen, der Regulierung des Blutdrucks und der Lösung von Proteinen. Es schützt Herz und Gefäße und kann sogar Herzrhythmusstörungen verhindern. Das Verhältnis von Natrium zu Kalium lag früher bei 1:16 und liegt nun bei etwa 3:1, was vor allem auf eine erhöhte Natriumaufnahme zurückzuführen ist (siehe Natrium und Wasser).
Ein Kaliummangel kommt selten vor, führt jedoch zu Depressionen, Muskelschwäche, Beeinträchtigungen des Herzmuskels und Verwirrtheit. Kaliumverlust kann eine Folge von chronischer Diarrhö oder Nierenkrankheiten sein, da die Nieren das Kaliumgleichgewicht im Körper regulieren. Bei Niereninsuffizienz sollte man hingegen weniger Kalium einnehmen.
Bei Berührung von Kaliummetall können starke Verätzungen der Haut durch Kalilauge entstehen. Diese sind sogar gefährlicher als Säureverätzungen, da sie weiter fortschreiten. Auch die Augen sind durch Laugenspritzer und Kaliumpartikel stark gefährdet.
Die Einnahme einiger Kaliumverbindungen kann sehr gefährlich sein. Bei hohen Dosen Kaliumchlorid funktioniert die Übertragung von Nervenimpulsen nicht mehr, was alle Körperfunktionen beeinträchtigt und vor allem gefährlich für die Herzfunktion ist. 2 g Kaliumalaun verursachen Magenschmerzen und Übelkeit, größere Mengen resultieren in tödlichen Verätzungen. Kaliumcarbonat ist ab einer Dosis von etwa 15 g für erwachsene Menschen tödlich. Bei Kaliumantimonyltartrat gilt dies ab 1 g und die tödliche Dosis Kaliumcyanid liegt sogar nur etwa 50 mg. Kaliumdichromat ist ab etwa 6-8 g tödlich und 30 g Kaliumnitrat führen zu starken Vergiftungen, die tödlich enden können. Wegen seiner stark ätzenden Wirkung kann auch Kaliumhydroxid, dann etwa in Form von 10-12 ml einer 15%iegen Lauge, zum Tode führen. Von Kaliumpermanganat, das zum Bleichen und Desinfizieren verwendet wird, liegt die tödliche Dosis bei 5-8 g.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Kalium zu entfernen?

Kalium kann etwa mit Membranen, die nach dem Prinzip der Umkehrosmose funktionieren, entfernt werden.
Auch Kalium selbst wird in der Wasserbehandlung eingesetzt. So dient etwa Kaliumpermanganat der Oxidation von Wasserinhaltsstoffen bei z.B. der Enteisenung und Entmanganung oder der Desinfektion, von der jedoch oft abgeraten wird. Der Kaliumpermanganatverbrauch gibt auch Aufschluss über die Oxidierbarkeit von organischen Stoffen im Wasser. Er ist im Allgemeinen höher als der BSB. Der Kaliumdichromatverbrauch hingegen wird zur Bestimmung des CSB genutzt.

Quellenangaben


Zum Periodensystem der Elemente

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