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Kalium 13:30 min

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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

  1. Stellung im Periodensystem der Elemente

  2. Vorkommen

  3. Herstellung

  4. Metallisches Kalium

  5. Biologische Bedeutung

  6. Eine Fülle an Verbindungen

  7. Zusammenfassung

  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kalium kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die biologische und physiologische Bedeutung von Kalium-Ionen.

    Tipps

    Die 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.

    Lösung

    Kalium 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.
  • Entscheide, welche Kaliumverbindungen als Oxidationsmittel dienen können.

    Tipps

    Das 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.

    Lösung

    Bei 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 stöchiometrische Zusammensetzung folgender Kaliumverbindungen.

    Tipps

    Kalium 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.

    Lösung

    Bei den obigen Verbindungen handelt es sich um Oxide, Hydroxide und Carbonate des Kaliums.

    Bei der Reaktion von Kalium mit Sauerstoff bildet sich das Kaliumhyperoxid:

    • $\overset{\pm 0}{K} + \overset{\pm 0}{O_2} \rightarrow \overset{+1}{K}\overset{-0,5}{O_2}$.
    Bei der Reaktion mit Sauerstoff kann das Kalium allerdings auch zum Kaliumperoxid oxidiert werden, welches mit metallischem Kalium zum Kaliumoxid reduziert werden kann (Reduktion des Sauerstoffs und Oxidation des metallischen Kaliums):

    • $2~K + \overset{\pm 0}{O_2} \rightarrow K_2\overset{-1}{O}_2$
    • $K_2\overset{-1}{O}_2 + 2~\overset{\pm 0}{K} \rightarrow 2~K_2\overset{-2}{O}$.
    Eine andere wichtige Verbindung ist das 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):

    • $2~\overset{\pm 0}{K} + 2~\overset{+1}{H}_2O \rightarrow 2~\overset{+1}{K}OH + \overset{\pm 0}{H_2}$.
    Aus der Kalilauge kann das bedeutsame Treibmittel (z.B. als Backpulver) Pottasche gewonnen werden, indem Kohlenstoffdioxid in die Basenlösung eingeleitet wird (Säure-Base-Reaktion):

    • $2~KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$.
  • Bestimme die Trends im Periodensystem am Beispiel der Alkalimetalle.

    Tipps

    Kalium 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.

    Lösung

    Zu 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).
    Außerdem bilden alle Alkalimetalle (M) in Wasser eine Lauge der Form $MOH$ unter Freisetzung von Wasserstoff und reagieren mit Halogenen ($X_2$) zu salzartigen Verbindungen der Zusammensetzung $MX$. Die Ursache für die gleiche Reaktionsbereitschaft besteht darin, dass alle Alkalimetalle nur ein einziges Valenzelektron besitzen, durch dessen Abgabe das Metall die stabileren 8 Valenzelektronen enthält (Edelgaskonfiguration).

    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.

  • Begründe die äußerst hohe Reaktivität von Kalium.

    Tipps

    Jede 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.

    Lösung

    Alkalimetalle 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.

    Tipps

    Die Reaktion von Kalilauge mit Kohlenstoffdioxid ist eine Säure-Base Reaktion.

    Kaliumazid ist Ausgangsstoff zur Kaliumherstellung im Labor.

    Lösung

    Eine 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):

    • $2~KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$.
    Wird hingegen das Kohlenstoffdioxid in eine wässrige Lösung des Kaliumhyperoxides eingeleitet, so entstehen das Kaliumhydrogencarbonat und Sauerstoff (Komproportionierung):

    • $4~K\overset{-0,5}{O_2} + 4~C\overset{-2}{O_2} + 2~H_2\overset{-2}{O} \rightarrow 4~KHC\overset{-2}{O_3} + 3~\overset{\pm 0}{O_2}$.
    Aus dem Kaliumazid ($KN_3$) kann durch Erhitzen Kalium gewonnen werden:

    • $2~KN_3 \xrightarrow{°C} 2~K + 3~N_2$.
    Das gebildete Kalium kann nicht mit dem Stickstoff weiter reagieren, allerdings bildet es mit der Stickstoffverbindung Ammoniak ein Amin (Redoxreaktion/Disproportionierung):

    • $2~\overset{\pm 0}{K} + 2~\overset{-3}{N}\overset{+1}{H_3} \rightarrow 2~\overset{+1}{K}\overset{-3}{N}\overset{+1}{H_2} + \overset{\pm 0}{H_2}$.