Potassium - Kariumu (English spelling) potassium English

Japanese: カリウム - かりうむ（英語表記）potassium 英語

It belongs to Group 1 of the periodic table and is one of the alkali metal elements. Potassium, along with sodium, has been used by humans since ancient times as a compound.

history

Since it exists as an ion in the plant body, it is found in large quantities in the ash produced when it is burned. It has been known since the time of the Old Testament that an alkaline solution obtained by leaching wood ash with water is effective for laundry. The solid obtained by boiling and concentrating this solution in an iron crucible is called potash, and was used to manufacture glass and soap. This is impure potassium carbonate. The word potash was later used to refer to other potassium salts and caustic potash, i.e. potassium hydroxide. Potassium compounds are similar to sodium compounds and it was not clear to distinguish them, but in 1761 the German scientist Markgraf succeeded in distinguishing between the two using a flame color reaction. In other words, potassium is pale purple, while sodium is yellow.

The first person to successfully isolate potassium metal was the British scientist Davy (1807). He observed that when he electrolyzed molten potassium hydroxide at high temperatures, a bright light and flame was produced at the negative electrode. He recognized this metal, which was produced at the electrode and burned in air to give off flame and light, as a new element and named it potassium, after it was derived from potash (potassium hydroxide in this case). The German name potassium is said to come from the Arabic kaljan (plant ash) or the Hebrew kal (light).

[Torii Yasuo]

Existence

Like other alkali metal elements, potassium is highly reactive, so in nature it always exists in the form of a compound as a monovalent cation and is never produced as a single element. It is relatively abundant in the earth's crust, second only to sodium among alkali metals. It is distributed as a rock component in the form of insoluble aluminosilicates, such as potassium feldspar KAlSi ₃ O ₈ and potassium mica KH ₂ Al ₃ Si ₃ O _2. When rocks weather, potassium ions are liberated along with sodium ions, but since they are more easily adsorbed by colloidal substances in the soil than sodium ions, they remain relatively unwashed by rainwater and are absorbed by plants. Therefore, although potassium is contained in almost the same amount as sodium in the earth's crust, its amount in seawater is about one-thirtieth of that. It is occasionally found in relatively pure form in the ground as water-soluble salts such as chlorides and sulfates. These were deposited as a result of the evaporation and concentration of the ancient seas that once covered most of the earth, and many of them form deposits deep underground alongside rock salt layers. The largest is the sylvite deposit in Saskatchewan, Canada, which is one kilometre underground and has an estimated reserve of 10 billion tonnes of potassium chloride, thought to be more than 300 million years old. Karnalite, _{KCl.MgCl2.6H2O} _, is also known from the salt deposits in Stassfurt, Germany.

Potassium also exists as an ion in the intracellular fluid of animals and plants, and is involved in the synthesis of a polysaccharide called glycogen and proteins, and also plays an important role in nerve signal transmission.

[Torii Yasuo]

Manufacturing method

Metallic potassium can be produced by the electrolysis of molten chlorides or hydroxides, as with other alkali metals, but for reasons of safety and economy, the method currently used industrially is reduction of molten potassium chloride with sodium vapor at 850°C.

KCl + Na- → NaCl + K↑
In this case, the product obtained by condensing the potassium vapor contains about 1% sodium as the main impurity, and is purified by fractional distillation to a purity of 99.99%.

[Torii Yasuo]

nature

It is a soft silver-white metal, but is slightly harder than sodium and becomes brittle at low temperatures. It can be cut with a knife, and a fresh surface has a metallic luster, but if left in air it quickly loses its luster. This is because it reacts with moisture and oxygen to form a film of hydroxides and oxides (including peroxides and superoxides). With a specific gravity of less than 1, this metal is lighter than water. It is characterized by its softness and lightness, which makes it feel somewhat different from normal metals. This is because the atomic radius of potassium is significantly larger than that of normal metals such as iron, copper, and gold, and it has a body-centered cubic lattice, which has the largest gaps among all the metal atom packing methods. It has fairly high electrical and thermal conductivity, although not as high as gold, silver, or copper. This metallic element is extremely reactive, and reacts directly with almost all electronegative elements, including halogens, sulfur, and phosphorus, to form ionic compounds containing K ⁺ ions. It is more active than sodium and is a stronger reducing agent. When burned in dry air or oxygen, it produces superoxide. It reacts violently with water to produce hydrogen as follows:

2K + _2H2O -> 2KOH + _H2
The heat of reaction melts potassium itself, causing the hydrogen to burn and ignite. It also reacts with alcohol, generating hydrogen and leaving behind alkoxides (compounds in which the hydrogen in the hydroxyl group of alcohols is replaced with a metal. Also known as alcoholates).

2K＋2C ₂ H ₅ OH―→2C ₂ H ₅ OK＋H ₂
It dissolves in liquid ammonia in the same way as sodium, giving an electrically conductive blue solution, and dissolves vigorously in mercury, generating heat, to produce amalgam.

Most potassium compounds are ionic and, with a few exceptions, are soluble in water. Examples of sparingly soluble salts include potassium perchlorate KClO ₄ , potassium hexachloroplatinate (IV) K ₂ [PtCl ₆ ], potassium hydrogen tartrate KHC ₄ H ₄ O ₆ , potassium hexafluorosilicate (IV) K ₂ [SiF ₆ ], and potassium hexanitrocobaltate (III) K ₃ [Co(NO ₂ ) ₆ ]. All of these salts are characterized by the presence of large anions, and some are used in gravimetric analysis. K ⁺ ions have a low tendency to form complexes, and complexes with ammonia molecules or cyanide ions cannot be formed in aqueous solutions. However, some macrocyclic polyether or polyester compounds are known to form stable complexes (chelates) in aqueous solutions. Natural products such as valinomycin and nonactin seem to be involved in the transport of K ⁺ ions in living organisms. In addition, synthetic compounds such as various crown ethers are used for the extraction and quantification of K ⁺ ions because their chelates are soluble in organic solvents.

[Torii Yasuo]

Applications

Metallic potassium is similar to sodium in many ways, but is much more expensive than sodium due to the difficulties in manufacturing it. Therefore, compared to sodium, its range of uses as an industrial material (reducing agent, condensing agent, explosives raw material) is not as wide. However, on the other hand, potassium has unique utility values, and demand for it is expanding in that respect. One example is an alloy with sodium that has a specific heat and thermal conductivity close to sodium, but remains liquid over a wide temperature range including room temperature. This is used as a coolant for nuclear reactors and in high-temperature thermometers. It is also used in large quantities as a superoxide in oxygen masks.

[Torii Yasuo]

Storage precautions

When storing metallic potassium, it is necessary to immerse it in petroleum and seal it tightly. Even in this way, over time it may gradually oxidize and become contaminated with peroxides, so when cutting it with a knife or other tool for use, care must be taken to prevent explosions due to friction.

[Torii Yasuo]

Potassium and the human body

In contrast to sodium, which is abundant in extracellular fluid, potassium is abundant in intracellular fluid. Like sodium, potassium is involved in maintaining the acid-base balance of the internal fluid and regulating osmotic pressure, as well as in energy metabolism, transmission of nerve excitation, and muscle contraction, and is also involved in the activation of several enzymes. It is the third most abundant mineral in the body after calcium and phosphorus, and is mainly replenished through plant foods. It is found in large amounts in vegetables, potatoes, seaweed, and fruits. The balance of sodium and potassium in the body is important, and when a lot of sodium is consumed in the form of salt, it is necessary to consume a lot of plant foods that are high in potassium. If a person is on a very strict salt restriction and consumes a large amount of foods that are high in potassium, potassium excess may occur. Potassium excess symptoms include fatigue, nerve disorders, and arrhythmia. The recommended amount to consume from food and the target amount for preventing high blood pressure are set by the "Dietary Reference Intakes for Japanese" (Ministry of Health, Labor, and Welfare).

[Tomomi Kono and Yonago Yamaguchi]

"Electrolyte Series 1 K, Clinical Practice of Acid-Base Imbalance" edited by Fumiaki Marumo and Takeki Kitaoka (1998, Shindan to Chiryousha)" ▽ "Dictionary of Minerals" edited by Yoshinori Itokawa (2003, Asakura Shoten)" ▽ "Dietary Reference Intakes for Japanese 2015 Edition - Report of the Ministry of Health, Labor and Welfare's Dietary Reference Intakes for Japanese" edited by Akira Hishida and Satoshi Sasaki (2014, Daiichi Publishing)"

[References] | David | Markgraf [Supplementary information] | Potassium (data notes)

Periodic Table
©Shogakukan ">

Periodic Table

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

周期表第1族に属し、アルカリ金属元素の一つ。カリウムはナトリウムとともに化合物として古くから人類によって利用されてきた。

歴史

植物体内にイオンとして存在しているので、これを焼いた灰の中には多量に含まれる。木灰ashを水で浸出した液（アルカリ液）が洗濯に有効であることは『旧約聖書』の時代から知られていた。この液を鉄製のるつぼpotで煮沸濃縮して得られる固形物はpotashとよばれ、ガラスやせっけんの製造に用いられた。これは不純な炭酸カリウムである。このpotashということばは、のちには他のカリウム塩やカ性カリ、すなわち水酸化カリウムにも用いられるようになった。カリウムの化合物はナトリウムの化合物と類似していて区別が明瞭(めいりょう)でなかったが、1761年ドイツのマルクグラーフは炎色反応によって両者を区別することに成功した。すなわち、カリウムは淡紫色を呈するのに対し、ナトリウムは黄色を呈する。

　カリウムの金属単体を単離することに初めて成功したのはイギリスのデービーである（1807）。彼は、高温で融解した水酸化カリウムを電解したところ、負極で明るい光と炎が生ずるのを観察した。電極において生成し、空気中で燃焼して炎と光を発するこの金属を新元素と認め、potash（この場合は水酸化カリウム）から得たことにちなみポタシウムpotassiumと命名した。カリウムというのはドイツ語名で、アラビア語のkaljan（植物の灰）またはヘブライ語のkal（軽い）に由来するといわれる。

［鳥居泰男］

存在

カリウムは他のアルカリ金属元素と同様にきわめて反応性に富んでいるので、自然界においてはつねに1価の陽イオンとして化合物の形で存在しており、単体としては産出しない。地殻中に比較的豊富に存在しており、アルカリ金属としてはナトリウムに次ぐ。不溶性アルミノケイ酸塩、たとえばカリ長石KAlSi₃O₈、カリ雲母(うんも)KH₂Al₃Si₃O₂のような形で岩石成分として分布している。岩石が風化すると、カリウムイオンはナトリウムイオンなどとともに遊離してくるが、ナトリウムイオンに比べ土壌中のコロイド物質に吸着されやすいので、雨水によっても比較的流出せずに残り、植物に吸収される。したがってカリウムは地殻中にはナトリウムとほぼ同量含まれているのに、海水中の存在量は30分の1ぐらいである。まれに地中から水溶性の塩化物、硫酸塩などの塩類として比較的純粋な形でみいだされる。これらは、かつて地球の大部分を覆っていた古代の海が蒸発濃縮された結果沈積したもので、多くは地下深い所に岩塩層と並んで鉱床をなしている。その最大のものはカナダのサスカチェワンのシルビン（カリ岩塩）の鉱床で、地下1キロメートルにあり、塩化カリウムの推定埋蔵量100億トンといわれ、3億年以上前に生成したものと考えられている。また、ドイツのシュタッスフルトの岩塩鉱床からカーナル石KCl・MgCl₂・6H₂Oが採掘されていることも有名である。

　カリウムはまた動植物の細胞内液にイオンとして存在し、グリコーゲンとよばれる多糖類やタンパク質の合成に関係しており、神経の情報伝達にも重要な役割をもっている。

［鳥居泰男］

製法

金属カリウムは、一般のアルカリ金属と同様に、塩化物や水酸化物の融解電解によって製造することもできる。しかし、安全性や経済性の点から、融解塩化カリウムを850℃でナトリウム蒸気で還元する方法が現在工業的には行われている。

　　KCl＋Na―→NaCl＋K↑
この場合、カリウム蒸気を凝縮させて得た生成物は約1％のナトリウムを主要不純物として含んでいる。分別蒸留によって99.99％の純度にまで精製される。

［鳥居泰男］

性質

銀白色の軟らかい金属であるが、ナトリウムよりはやや硬く、低温ではもろくなる。ナイフで切ることができ、新しい面は金属光沢をしているが、空気中に放置すれば速やかに輝きを失う。これは、水分や酸素と反応して水酸化物や酸化物（過酸化物や超酸化物を含む）の膜ができるからである。比重が1より小さいので、この金属は水よりも軽い。軟らかいこと、軽いことが特徴で、この点では通常の金属の感じとはいささか違っている。カリウムの原子半径が通常の金属、たとえば鉄、銅、金などに比べて著しく大きいうえに、金属原子の充填(じゅうてん)方式のなかではもっとも隙間(すきま)の大きい体心立方格子をもつことによる。金、銀、銅には及ばないが、かなり大きな電気伝導性と熱伝導性をもっている。この金属元素はきわめて反応性に富んでおり、ハロゲン、硫黄(いおう)、リンなどを含むほとんどすべての電気的陰性の元素と直接反応し、K⁺イオンを含むイオン性化合物を生成する。ナトリウムよりも活性であり、より強い還元剤である。乾燥空気または酸素中で燃焼させると超酸化物を生ずる。水と激しく反応し、次の式のように水素を発生させる。

　　2K＋2H₂O―→2KOH＋H₂
反応熱によってカリウム自身は融解し、水素が燃焼して発火するに至る。アルコールとも反応し、水素を発生させ、あとにアルコキシド（アルコール類のヒドロキシ基の水素を金属で置換した化合物。アルコラートともいう）を残す。

　　2K＋2C₂H₅OH―→2C₂H₅OK＋H₂
　ナトリウムなどと同様に液体アンモニアに溶解し、電気伝導性の青色溶液を与える。また、水銀に発熱しながら激しく溶けアマルガムを生ずる。

　カリウムの化合物はほとんどがイオン性であり、わずかの例外を除いて水に可溶である。難溶性塩としては、過塩素酸カリウムKClO₄、ヘキサクロロ白金(Ⅳ)酸カリウムK₂[PtCl₆]、酒石酸水素カリウムKHC₄H₄O₆、ヘキサフルオロケイ(Ⅳ)酸カリウムK₂[SiF₆]、ヘキサニトロコバルト(Ⅲ)酸カリウムK₃[Co(NO₂)₆]などがあげられる。いずれも大きな陰イオンを含むのが特徴であり、重量分析に利用されるものもある。K⁺イオンは錯体を生成する傾向が弱く、アンモニア分子やシアン化物イオンなどを配位した錯体は水溶液中ではできない。しかし、大環状ポリエーテルまたはポリエステル系の化合物には水溶液中で安定な錯体（キレート）をつくるものが知られている。そのうちバリノマイシン、ノナクチンなどの天然物は生体中のK⁺イオンの伝送に関係しているようである。また各種のクラウンエーテルのような合成化合物は、そのキレートが有機溶媒に可溶な点で、K⁺イオンの抽出や定量に利用されている。

［鳥居泰男］

用途

金属カリウムは多くの点でナトリウムと類似しているが、製造上の困難のためにナトリウムよりはるかに高価である。したがってナトリウムに比べ工業材料としての利用範囲（還元剤、縮合剤、火薬原料）はあまり広くはない。しかし、一方ではカリウム特有の利用価値が認められ、その面での需要が広がっている。その一つはナトリウムとの合金であって、ナトリウムに近い比熱や熱伝導性をもちながら、室温を含む広い温度範囲で液状をとるものがつくられている。これは原子炉の冷却剤や高温温度計などに使用されている。また、超酸化物として酸素マスクに多量使用されている。

［鳥居泰男］

保存上の注意

金属カリウムを保存する場合には、石油などに浸し密栓しておくことが必要である。このようにしても、長い間にはしだいに酸化を受け過酸化物を伴っていることがあるので、使用の際にナイフなどで切るときには、摩擦による爆発に十分注意しなければならない。

［鳥居泰男］

人体とカリウム

細胞外液に多いナトリウムとは対照的に、カリウムは細胞内液に多く存在する。ナトリウムと同様、内液の酸塩基平衡の維持および浸透圧の調節、また、エネルギー代謝や神経興奮の伝達、筋肉の収縮などに関係し、いくつかの酵素の活性化とも関係がある。体内ではカルシウム、リンに次いで多く含まれる無機質で、主として植物性食品から補給される。野菜、いも、海藻、果物に多く含まれる。体内でのナトリウムとカリウムのバランスがたいせつで、食塩などの形でナトリウムを多くとったときは、カリウムの多い植物性食品を多くとる必要がある。非常に強い食塩制限をしているときに、カリウムの多い食品を多量にとったりすると、カリウムの過剰がおこることがある。カリウムの過剰症には、疲労、神経障害、不整脈などがある。食事からとるべき量については、「日本人の食事摂取基準」（厚生労働省）により、目安量と高血圧予防のための目標量が設定されている。

［河野友美・山口米子］

『丸茂文昭監修、北岡建樹編『電解質シリーズ1　K、酸塩基平衡異常の臨床』（1998・診断と治療社）』▽『糸川嘉則編『ミネラルの事典』（2003・朝倉書店）』▽『菱田明・佐々木敏監修『日本人の食事摂取基準2015年版――厚生労働省「日本人の食事摂取基準」策定検討会報告書』（2014・第一出版）』

[参照項目] | デービー | マルクグラーフ[補完資料] | カリウム（データノート）

周期表

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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