カリウム

この記事は、 化学元素についての説明である。医薬品としてのカリウムの使用については、 Potassium chloride (medical use)/jaを参照してください。 生物学におけるカリウムの利用については、 Potassium in biology/jaを参照してください。

カリウムは化学元素の一つであり、記号はK（新ラテン語kaliumから）、原子番号 は19である。銀白色の金属で、ナイフで簡単に切れるほど柔らかい。金属カリウムは大気中の酸素と急速に反応し、わずか数秒の暴露で薄片状の白い過酸化カリウムを形成する。カリウムは植物の灰であるカリから初めて単離された。周期表では、カリウムはアルカリ金属の1つであり、すべての金属は外側の電子殻に1個の価電子を持ち、この価電子は容易に除去されて正電荷を持つイオン（陰イオンと結合して塩を形成する）を作る。自然界では、カリウムはイオン塩でのみ存在する。元素のカリウムは水と激しく反応し、反応で放出される水素に引火するのに十分な熱を発生し、薄紫色の色のついた炎で燃焼する。カリウムは花崗岩や他の火成岩の一般的な成分である斜長石など、多くの鉱物に含まれている。

Potassium, ₁₉K

Potassium pearls (in paraffin oil, ~5 mm each)
Potassium
Appearance	silvery white, faint bluish-purple hue when exposed to air
Standard atomic weight Ar°(K)
	39.0983±0.0001  39.098±0.001 (abridged)
Potassium in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson ↑ K ↓ ← potassium →
Atomic number (Z)	19
Electron configuration	[Ar] 4s1
Electrons per shell	2, 8, 8, 1
Physical properties
Phase at STP	solid
Melting point	336.7 K ​(63.5 °C, ​146.3 °F)
Boiling point	1030.793 K ​(757.643 °C, ​1395.757 °F)
Density (at 20° C)	0.8590 g/cm3
when liquid (at m.p.)	0.82948 g/cm3
Critical point	2223 K, 16 MPa
Heat of fusion	2.33 kJ/mol
Heat of vaporization	76.9 kJ/mol
Molar heat capacity	29.6 J/(mol·K)
Atomic properties
Oxidation states	−1, +1 (a strongly basic oxide)
Electronegativity	Pauling scale: 0.82
Ionization energies	1st: 418.8 kJ/mol 2nd: 3052 kJ/mol 3rd: 4420 kJ/mol (more)
Atomic radius	empirical: 227 pm
Covalent radius	203±12 pm
Van der Waals radius	275 pm
Color lines in a spectral range Spectral lines of potassium
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​body-centered cubic (bcc) (cI2)
Lattice constant	a = 532.69 pm (at 20 °C)
Thermal expansion	77.37×10−6/K (at 20 °C)
Thermal conductivity	102.5 W/(m⋅K)
Electrical resistivity	72 nΩ⋅m (at 20 °C)
Magnetic ordering	paramagnetic
Molar magnetic susceptibility	+20.8×10−6 cm3/mol (298 K)
Young's modulus	3.53 GPa
Shear modulus	1.3 GPa
Bulk modulus	3.1 GPa
Speed of sound thin rod	2000 m/s (at 20 °C)
Mohs hardness	0.4
Brinell hardness	0.363 MPa
CAS Number	7440-09-7
History
Discovery and first isolation	Humphry Davy (1807)
Symbol	"K": from New Latin kalium
Isotopes of potassium
Main isotopes Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 39K stable 40K 1.248×109 y β− 40Ca ε 40Ar β+ 40Ar 41K stable

カリウムはナトリウムと化学的に非常によく似ている。周期表の1族の前の元素である。両者は最初のイオン化エネルギーが似ており、各原子が唯一の外側の電子を手放すことができる。1702年に初めて、それらは同じ陰イオンと結合して類似の塩を作る別個の元素であることが示唆され、1807年に元素カリウムが初めて電気分解によって単離されたときに実証された。天然に存在するカリウムは3つの同位体から構成されており、そのうち⁴⁰
Kは放射性である。⁴⁰
Kの痕跡はすべてのカリウムに含まれており、人体で最も一般的な放射性同位体である。

カリウムイオンは、すべての生きた細胞の機能に不可欠である。神経細胞膜を介したカリウムイオンの移動は、正常な神経伝達に必要である。カリウムの欠乏と過剰はそれぞれ、心臓のリズム異常や様々な心電図異常など、多くの徴候や症状を引き起こす。新鮮な果物や野菜は、カリウムのよい食事源である。身体は、カリウムを細胞外から細胞内に移動させ、腎臓からのカリウム排泄を増加させることによって、血清カリウム濃度を上昇させる食事性カリウムの流入に反応する。

カリウムの工業的用途のほとんどは、塩水石鹸のような水に対するカリウム化合物の高い溶解性を利用したものである。農作物の大量生産は土壌のカリウムを急速に枯渇させるが、これはカリウムを含む農業用肥料で改善することができ、世界のカリウム化学生産の95％を占めている。

語源

カリウムの英語名はpotashという語に由来する。これは、様々なカリウム塩を抽出する初期の方法を指しており、'potに灰(ash)を入れ、水を加えて加熱し、溶液を蒸発させるというものである。1807年にハンフリー・デイヴィーが初めて電気分解を用いて純粋な元素を単離したとき、彼はそれをpotashという語に由来するpotassiumと命名した。

記号Kはkaliに由来し、語源はアルカリ(alkali)であり、alkaliはArabic: القَلْيَه「植物の灰」に由来する。1797年、ドイツの化学者マルティン・クラプロスが鉱物リューサイトとレピドライトの中に「kali」を発見し、「kali」は植物の成長の産物ではなく、実際には新しい元素を含んでいることに気づき、それをkaliと呼ぶことを提案した。1807年、ハンフリー・デイヴィは電気分解によってこの元素を生成した。1809年、ルートヴィヒ・ヴィルヘルム・ジルベルトはデイヴィの「カリウム」にKaliumという名称を提案した。1814年、スウェーデンの化学者ヨンス・ヤコブ・ベルゼリウスは化学記号Kでカリウムをkaliumと呼ぶことを提唱した。

英語圏とフランス語圏ではデイヴィとフランスの化学者ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとルイ・ジャック・テナールが好んだカリウムという名称が採用され、他のゲルマン諸国ではギルバートとクラプロスのカリウムという名称が採用された。国際純正・応用化学連合の「ゴールドブック」では、公式の化学記号をKと定めている。

特性

物理的

カリウムの火炎試験

カリウムはリチウムに次いで密度の低い金属である。融点が低く柔らかい固体であり、ナイフで簡単に切ることができる。カリウムの外観は銀色であるが、空気に触れるとすぐに灰色に変色し始める。火炎試験では、カリウムとその化合物は766.5ナノメートルに発光ピーク波長を持つライラック色を発する。

中性のカリウム原子は19個の電子を持ち、希ガスアルゴンの配置よりも1個多い。最初のイオン化エネルギーが418.8 kJ/molと低いため、カリウム原子は最後の電子を失って正電荷を帯びる可能性が高いが、負電荷を帯びたアルカリドK−
イオンも不可能ではない。対照的に、第二イオン化エネルギーは非常に高い（3052 kJ/mol）。

化学的

カリウムは空気中の酸素、水、二酸化炭素成分と反応する。酸素とは過酸化カリウムを形成する。水とカリウムは水酸化カリウム（KOH）を形成する。カリウムと水の反応は激しく発熱することがあり、特に共生した水素ガスが発火することがある。このため、カリウムと液体のナトリウム-カリウム（NaK）合金は強力な乾燥剤であるが、現在ではそのように使用されることはない。

化合物

固体スーパーオキシドカリウム（KO
2）の構造

酸化カリウム（K
2O）、過酸化カリウム（K
2O
2）、過酸化カリウム（KO
2）、オゾン化カリウム（KO
3）である。カリウムと酸素の二元化合物は、水と反応してKOHを形成する。

KOHは強塩基である。その親水性を示すように、1.21kgものKOHが1リットルの水に溶けることがある。無水KOHに遭遇することは稀である。KOHは二酸化炭素（CO
2）と容易に反応して炭酸カリウム（K
2CO
3）を生成し、原理的には空気中のガスの痕跡を除去するために使用することができる。密接に関連する水酸化ナトリウムと同様に、KOHは脂肪と反応して石鹸を生成する。

一般に、カリウム化合物はイオン性であり、K+
イオンの水和エネルギーが高いため、優れた水溶性を持つ。水溶液中の主な種はアクオ錯体である。[K(H
2O)
n]+
で、n=6と7である。

ヘプタフルオロタンタル酸カリウム（K
2[TaF
7]）は、ニオブの難分解性汚染物質からタンタルを精製する際の中間体である。

有機カリウム化合物はカリウムの非イオン性化合物を示す。それらは高度に極性共有結合を特徴とする。K-C結合を持つ。例えば、ベンジルカリウムKCH
2C
6H
5がある。カリウムのインターカレートはグラファイト中に挿入され、KC
8を含む様々なグラファイトインターカレーション化合物を与える。

同位体

詳細は「Isotopes of potassium/ja」を参照

カリウムの同位体は25種類知られているが、そのうち3種類は天然に存在する： ³⁹
K(93.3%)、⁴⁰
K(0.0117%)、⁴¹
K(6.7%)（モル分率）である。天然に存在する⁴⁰
Kの半減期は1.250×10⁹年である。電子捕獲または陽電子放出（11.2%）によって安定な⁴⁰
Arに崩壊するか、ベータ崩壊（88.8%）によって安定な⁴⁰
Caに崩壊する。⁴⁰
Kから⁴⁰
Arへの崩壊は、岩石の年代測定の一般的な方法の基礎となっている。従来のK-Ar年代測定法は、岩石が形成された時点ではアルゴンを含んでおらず、その後の放射性アルゴン（⁴⁰
Ar）はすべて定量的に保持されていたという仮定に依存している。鉱物の年代測定は、カリウムの濃度と蓄積された放射性⁴⁰
Arの量を測定することによって行われる。年代測定に最適な鉱物には、黒雲母、白雲母、変成角閃石、火山性の長石などがある。：火山流や浅い貫入岩の全岩試料も、変化していなければ年代測定が可能である。年代測定とは別に、カリウム同位体は風化の研究や、カリウムが地球上の生命に必要な大栄養素であることから、栄養塩循環の研究にトレーサーとして用いられてきた。

⁴⁰
Kは天然のカリウム（したがっていくつかの市販の代用塩）中に十分な量含まれており、それらの代用塩の大きな袋を教室での実演のための放射源として使用することができる。⁴⁰
Kは人体中で最も存在量の多い放射性同位体である。健康な動物や人間では、⁴⁰
Kは最大の放射能源であり、¹⁴
Cよりも大きい。体重70kgの人体では、1秒間に約4,400個の⁴⁰
Kの原子核が崩壊する。天然カリウムの放射能は31Bq/gである。

歴史

ポターシュ

詳細は「Potash/ja」を参照

ポターシュは主にカリウム塩の混合物である。なぜなら、植物にはナトリウムがほとんど、あるいはまったく含まれておらず、植物の主要ミネラルの残りは、水への溶解度が比較的低いカルシウム塩で構成されているからである。カリは古代から使用されてきたが、その組成は解明されていなかった。1702年にゲオルク・エルンスト・シュタールがナトリウム塩とカリウム塩の基本的な違いを示唆する実験的証拠を得たが、カリウム化合物とナトリウム化合物の正確な化学組成、およびカリウムとナトリウムの化学元素としての地位は当時知られていなかったため、アントワーヌ・ラヴォアジエは1789年にアルカリを化学元素リストに含めなかった。長い間、カリの重要な用途はガラス、漂白剤、石鹸、硝酸カリウムとしての火薬の製造だけであった。動物性油脂や植物性油脂から作られるカリウム石鹸は、水溶性が高く、質感が柔らかいため、特に珍重された。1840年にユストゥス・リービッヒがカリウムは植物にとって必要な元素であり、ほとんどの種類の土壌にはカリウムが不足していることを発見したことで、カリウム塩の需要が急増した。当初はモミの木の木灰が肥料用のカリウム塩の原料として使われていたが、1868年にドイツのシュタイスフルト近郊で塩化カリウムを含む鉱床が発見され、カリウムを含む肥料の生産が工業的規模で始まった。他のカリ鉱床も発見され、1960年代にはカナダが主要な生産国になった。

金属

Sir Humphry Davy

カリウム金属片

カリウム金属は1807年にハンフリー・デイヴィーによって初めて単離された。彼は溶融した苛性カリ（KOH）を新しく発見されたボルタ杭で電気分解することによってカリウムを得た。カリウムは電気分解によって単離された最初の金属であった。同年末、デイヴィは同様の手法で植物塩ではなく鉱物誘導体（苛性ソーダ、NaOH、灰汁）から金属ナトリウムを抽出することを報告し、元素、ひいては塩が異なることを実証した。金属カリウムと金属ナトリウムの生成は、どちらも元素であることを示すはずであったが、この見解が普遍的に受け入れられるまでには時間がかかった。

カリウムは水や空気に敏感であるため、この元素の取り扱いには通常空気を使わない技術が用いられる。窒素や鉱物油や灯油のような飽和炭化水素には反応しない。液体アンモニアに容易に溶解し、0 ℃でアンモニア1000gあたり480gまで溶解する。濃度にもよるが、アンモニア溶液は青から黄色であり、その電気伝導率は液体金属に似ている。カリウムはアンモニアとゆっくりと反応してKNH
₂を形成するが、この反応は微量の遷移金属塩によって加速される。カリウムは塩を金属に還元することができるので、Rieke法によって微分された金属をその塩から調製する際に還元剤としてよく使われる。マグネシウムの調製がその例である：

MgCl
2 + 2 K → Mg + 2 KCl

発生

長石に含まれるカリウム

カリウムは超新星において、より軽い原子からの核合成によって生成される。カリウムは主にII型超新星において爆発的酸素燃焼過程を経て生成される。これらは核融合反応であり、酸素中でのカリウムの化学的燃焼と混同してはならない。⁴⁰
Kはs-process核合成やネオン燃焼過程でも生成される。

カリウムは太陽系で20番目に多い元素であり、地球では17番目に多い元素である。地殻の重量の約2.6%を占め、地殻中で7番目に豊富な元素である。海水中のカリウム濃度は0.39 g/L（0.039 wt/v%）で、ナトリウム濃度の約27分の1である。

地質学

カリウムは反応性が高いため、自然界には存在しない。水と激しく反応し、酸素とも反応する。正斜長石（カリウム長石）は一般的な造岩鉱物である。例えば花崗岩には5%のカリウムが含まれており、これは地殻の平均を大きく上回っている。シルバイト（KCl）、カルナライト（KCl·MgCl
2·6H₂O）、カイナイト（MgSO
4·KCl·3H₂O）、ラングベーナイト（MgSO
4·K
2SO
4）は、世界中の大規模なエバポライト鉱床で見られる鉱物である。鉱床はしばしば、最も溶解度の低いものが底部に、最も溶解度の高いものが上部にある層を示す。ナイター（硝酸カリウム）の鉱床は、大気と接触した有機物の分解によって形成される。

商業生産

採掘

シルバイト（ニューメキシコ産）

Monte Kaliは、ドイツヘッセン州のカリ採掘・選鉱廃ヒープであり、ほとんどが塩化ナトリウムからなる。

カルナライト、ラングベーナイト、ポリハライト、シルバイトなどのカリウム塩は、古代の湖底や海底に広範なエバポライト鉱床を形成しており、このような環境でのカリウム塩の抽出は商業的に実行可能である。カリウムの主要な供給源であるカリは、カナダ、ロシア、ベラルーシ、カザフスタン、ドイツ、イスラエル、アメリカ、ヨルダン、その他世界中で採掘されている。最初に採掘された鉱床はドイツのシュタイスフルト近郊にあったが、鉱床はイギリスからドイツを越えてポーランドにまで及んでいる。それらはゼクシュタインにあり、中期から後期のペルム紀に堆積したものである。これまでに発見された中で最大の鉱床は、カナダのサスカチュワン州の地下1,000 meters (3,300 feet)にある。鉱床は中期デボン紀に産出するエルク・ポイント層群にある。サスカチュワン州では、1960年代からいくつかの大規模な鉱山が操業しており、湿った砂（ブレアモア層）を凍らせて坑道を掘る技術を開拓した。合併するまでサスカチュワン州の主要なカリ鉱山会社はポタッシュ・コーポレーション・オブ・サスカチュワンであり、現在はニュートリエンである。死海の水はイスラエルとヨルダンがカリの供給源として使用しているが、通常の海洋の濃度は現在の価格では商業生産には低すぎる。

化学的抽出

カリウム塩をナトリウム化合物やマグネシウム化合物から分離するには、いくつかの方法が用いられる。最もよく使われる方法は、塩の溶解度の違いを利用した分別沈殿である。一部の鉱山では、地中の混合塩を静電分離する方法も用いられている。得られたナトリウムとマグネシウムの廃棄物は地下に貯蔵されるか、スラグヒープに積み上げられる。採掘されたカリウム鉱物の大部分は、加工後に塩化カリウムになる。鉱物業界では、塩化カリウムをカリ、カリ酸ムリエート、または単にMOPと呼ぶ。

純粋な金属カリウムは、その水酸化物を電気分解することによって単離することができる。電解法は1920年代に開発され工業的に使用されるようになったが、1950年代にはナトリウムと塩化カリウムを化学平衡反応させる熱法が主流となった。

Na + KCl → NaCl + K

ナトリウムカリウム合金の製造は、反応時間と反応に使用するナトリウムの量を変えることによって達成される。フッ化カリウムと炭化カルシウムの反応を利用したグリースハイマー法もカリウムの製造に用いられた。

2 KF + CaC
2 → 2 K + CaF
2 + 2 C

試薬グレードのカリウム金属は、トン単位で購入した場合、2010年には1|ポンドあたり約10.00ドル（1kgあたり22ドル）である。純度の低い金属はかなり安い。金属の長期保管が難しいため、市場は不安定である。傷がつくと起爆する感圧性の爆薬である過酸化カリウムの表面層の形成を防ぐために、乾燥した不活性ガス雰囲気または無水の鉱油中で保管しなければならない。その結果、爆発はしばしば消火困難な火災を引き起こす。

陽イオンの同定

カリウムは現在ではイオン化技術によって定量されるが、かつては重量分析によって定量されていた。

カリウム塩を沈殿させるための試薬としては、テトラフェニルホウ酸ナトリウム、ヘキサクロロ白金酸、コバルト亜硝酸ナトリウムをそれぞれテトラフェニルホウ酸カリウム、ヘキサクロロ白金酸カリウム、コバルト亜硝酸カリウムに変換するものがある。 コバルト亜硝酸ナトリウムとの反応がその例である：

3 K+
+ Na
3[Co(NO
2)
6] → K
3[Co(NO
2)
6] + 3 Na+

コバルト亜硝酸カリウムは黄色の固体として得られる。

商業的利用

肥料

硫酸カリウム・硫酸マグネシウム肥料

カリウムイオンは植物の栄養に不可欠な成分であり、ほとんどの土壌に含まれている。それらは塩化物（KCl）の形で農業、園芸、水耕栽培の肥料として使用される、 硫酸塩（K
2SO
4）、またはnitrate/ja|硝酸塩（KNO
3）の形で、「K」肥料の表示|in "NPK"を表す。農業用肥料は世界のカリウム化学生産量の95％を消費しており、このカリウムの約90％はKClとして供給されている。ほとんどの植物のカリウム含有量は、作物の収穫重量の0.5%から2%の範囲であり、従来はK
2Oの量で表されていた。現代の高収量農業は、収穫時に失われるカリウムを補うための肥料に依存している。ほとんどの農業用肥料は塩化カリウムを含むが、硫酸カリウムは塩化カリウムに敏感な作物や、より高い硫黄含有量を必要とする作物に使用される。硫酸カリウムは、主に複雑な鉱物であるカイナイト（MgSO
4·KCl·3H₂O）とラングベーナイト（MgSO
4·K
2SO
4）の分解によって生成される。硝酸カリウムを含む肥料はごくわずかである。2005年には、世界のカリウム生産量の約93％が肥料産業によって消費された。さらに、カリウムはリターの組成をコントロールすることによって、栄養循環において重要な役割を果たすことができる。

医療用途

クエン酸カリウム

クエン酸カリウムは、腎尿細管性アシドーシスと呼ばれる腎結石の治療に用いられる。

塩化カリウム

「Potassium chloride (medical use)/ja」も参照

カリウムは塩化カリウムの形で、低血中カリウムの治療と予防のための医薬品として使用される。低血中カリウムは、嘔吐、下痢、または特定の医薬品が原因で起こることが静脈への緩徐注射または経口投与で投与される。

食品添加物

酒石酸ナトリウムカリウム（KNaC
4H
4O
6、ロッシェル塩）は、いくつかの種類のベーキングパウダーの主成分である。鏡の銀化にも使われる。臭素酸カリウム（KBrO
3）は強力な酸化剤（E924）であり、生地の強度と立ち上がりの高さを改善するために使用される。重亜硫酸カリウム（KHSO
3）は食品保存料として使用され、例えばワインやビール製造に使用される（肉類には使用されない）。また、織物や藁の漂白、皮革のなめしにも用いられる。

工業用

主なカリウム化学製品は、水酸化カリウム、炭酸カリウム、硫酸カリウム、塩化カリウムである。これらの化合物は年間数メガトン生産されている。

KOHは強塩基であり、工業的には強酸・弱酸の中和、pHの調整、カリウム塩の製造に用いられる。また、けん化油脂、オイル、工業用洗浄剤、エステルなどの加水分解反応にも用いられる。

硝酸カリウム（KNO
3）または塩硝は、グアノやエバポライトなどの自然源から得られるか、ハーバー法によって製造される; 火薬（黒色火薬）の酸化剤であり、重要な農業肥料である。シアン化カリウム（KCN）は工業的には錯体を形成して銅や貴金属、特に銀や金を溶解するのに用いられる。その用途は、これらの金属の金採掘、電気めっき、電鋳などであり、有機合成ではニトリルを作るのにも使われる。炭酸カリウム（K
2CO
3またはカリ）はガラス、石鹸、カラーテレビ管、蛍光灯、繊維染料、顔料の製造に使われる。過マンガン酸カリウム（KMnO
4）は酸化・漂白・精製物質であり、サッカリンの製造に使われる。塩素酸カリウム（KClO
3）はマッチや爆薬に添加される。臭化カリウム（KBr）は、以前は鎮静剤として、また写真撮影に使用されていた。

クロム酸カリウム（K
2CrO
4）は、インク、染料、木材のステイン（木材中のタンニン酸と反応することによって）など、多くの異なる商業製品の製造に使用されている、 また、爆薬、花火、フライ・ペーパー、安全マッチ、皮革の鞣しなどにも使用されるが、これらの用途はすべてカリウムイオンではなくクロム酸イオンの化学的性質によるものである。

ニッチな用途

様々なカリウム化合物の用途は何千とある。その一例がカリウム・スーパーオキシド、KO
2であり、オレンジ色の固体で、携帯用酸素源および二酸化炭素吸収剤として機能する。気体の酸素よりも体積が少なくてすむため、呼吸システムの鉱山、潜水艦、宇宙船などで広く使われている。

4 KO
2 + 2 CO
2 → 2 K
2CO
3 + 3 O
2

別の例としては、コバルト亜硝酸カリウム、K
3[Co(NO
2)
6]があり、これはオーレオリンまたはコバルトイエローの名で画家の顔料として使用されている。

カリウムの安定同位体はレーザー冷却することができ、量子物理学の基本的な問題や技術的な問題を探るのに使われる。2つのボゾン同位体は、調整可能な相互作用を必要とする研究を可能にする便利なフェッシュバッハ共鳴を持っており、⁴⁰
Kはアルカリ金属の中で2つしかない安定なフェルミオンの1つである。

実験室での使用

ナトリウムとカリウムの合金であるNaKは、乾式無風溶媒を製造するための熱媒体や乾燥剤として使用される液体である。反応性蒸留にも使用できる。12%Na、47%K、41%Csの三元合金は、金属化合物の中で最も低い融点-78 ℃を持つ。

金属カリウムはいくつかのタイプの磁力計に使われている。

生物学的役割

詳細は「Potassium in biology/ja」を参照

カリウムは人体において質量比で8番目か9番目に多い元素（0.2％）であり、体重60 kgの成人は合計約120 gのカリウムを含む。体内には硫黄や塩素と同程度のカリウムが存在し、より豊富なのはカルシウムとリンだけである（どこにでもあるCHON元素は例外）。

生化学的機能

カリウム濃度は、以下のような複数の生理学的プロセスに影響を及ぼす。

• 神経組織、筋肉組織、心臓組織における細胞膜電位の静止と活動電位の伝播。静電的および化学的特性により、K+
  イオンはNa+
  イオンよりも大きく、細胞膜のイオンチャネルとポンプは2つのイオンを区別することができ、2つのイオンの一方を積極的にポンピングするか受動的に通過させ、もう一方をブロックする。
• ホルモン分泌と作用
• 血管緊張
• 全身の血圧調節
• 消化管運動
• 酸基盤の恒常性
• グルコースおよびインシュリン新陳代謝
• ミネラルコルチコイド作用
• 腎臓の集中の能力
• 流動性および電解質のバランス
• 局所皮質モノアミン作動性ノルエピネフリン、セロトニン、ドーパミンレベル、そしてそれらを通して睡眠と覚醒のバランス、自発的活動。

ホメオスタシス

カリウムのホメオスタシスとは、拍動性の摂取（食事）、義務的な腎排泄、細胞内と細胞外のコンパートメント間の移動に直面しながら、全身のカリウム含有量、血漿カリウム濃度、細胞内と細胞外のカリウム濃度の比率を狭い範囲内に維持することを示す。

血漿レベル

血漿カリウムは通常、複数のメカニズムにより、1リットル当たり3.5～5.5ミリモル（mmol）［またはミリ当量（mEq）］に保たれている。この範囲外の値は、複数の原因による死亡率の上昇と関連しており、血清カリウム値が正常範囲内に維持されない場合、心臓、腎臓、肺の疾患の一部はより急速に進行する。

平均40-50 mmolの食事は、全血漿中（20-25 mmol）に存在するよりも多くのカリウムを身体に提示する。この急増により、腎および腎外機序によってクリアランスされる前に、血漿カリウムは10％まで上昇する。

血漿中のカリウムの欠乏である低カリウム血症は、重症になると致命的である。一般的な原因は、消化管喪失の増加（嘔吐、下痢）および腎喪失の増加（利尿）である。欠乏症状としては、筋力低下、麻痺性イレウス、心電図異常、反射反応低下；重症の場合は呼吸麻痺、アルカローシス、心不整脈などがある。

制御メカニズム

血漿中のカリウム含量は、4つの基本的なメカニズムによって厳密に制御されており、これらのメカニズムには様々な名称や分類がある。これらは以下の通りである：

1. 反応性ネガティブ・フィードバック・システム、
2. 反応性フィードフォワードシステム
3. 予測または概日システム、および
4. 内部または細胞膜輸送システムである。

最初の3つを総称して「外部カリウム恒常性システム」、最初の2つを「反応性カリウム恒常性システム」と呼ぶこともある。

• 反応性ネガティブフィードバックシステムとは、血漿カリウムの上昇（カリウムの摂取、細胞外への移行、静脈内注入）に反応して、カリウムの腎分泌を誘導するシステムのことである。
• 反応性フィードフォワード系とは、血漿カリウムが上昇する前に、カリウム摂取に反応して腎カリウム分泌を誘導する、不完全に理解されている系を指す。これはおそらく、摂取されたカリウムを検出し、迷走神経求心性シグナルを誘発する腸細胞のカリウム受容体によって開始される。
• 予測系または概日系は、カリウム摂取の有無や量とは無関係に、食事の時間帯（例えばヒトでは昼間、げっ歯類では夜間）にカリウムの腎分泌を増加させる。これは脳（中枢時計）の視交叉上核にある概日発振器によって媒介され、腎臓（末梢時計）にこのリズムの概日法でカリウムを分泌させる。

ナトリウム-カリウムポンプの作用は、一次能動輸送の一例である。左側の細胞膜に埋め込まれた2つの担体タンパク質は、アデノシン三リン酸|ATPを使ってナトリウムを濃度勾配に逆らって細胞外に移動させている。右側の2つのタンパク質は、二次的能動輸送を使ってカリウムを細胞内に移動させている。この過程でATPが再構成される。

• イオン輸送系は、2つのメカニズムを用いてカリウムを細胞膜を横切って移動させる。一つは能動的で、ナトリウムを細胞外に、カリウムを細胞内に送り出す。もう1つは受動的で、カリウムを細胞外に漏出させる。カリウムとナトリウムの陽イオンは、浸透圧力によって細胞内区画と細胞外区画の間の体液分布に影響を与える。細胞膜を介したカリウムとナトリウムの移動は、Na⁺/K⁺-ATPaseポンプによって媒介される。このイオンポンプは、ATPを用いて、3つのナトリウムイオンを細胞外に、2つのカリウムイオンを細胞内に送り出し、細胞膜全体に電気化学的勾配と起電力を作り出す。非常に選択性の高いカリウムイオンチャネル（四量体である）は、一例を挙げると、活動電位が引き起こされた後のニューロン内の過分極に極めて重要である。最も最近発見されたカリウムイオンチャネルはKirBac3.1であり、これで構造が決定されたカリウムイオンチャネルは全部で5つ（KcsA、KirBac1.1、KirBac3.1、KvAP、MthK）となった。5つとも原核生物由来のものである。

腎濾過、再吸収、排泄

腎におけるカリウムの取り扱いは、ナトリウムの取り扱いと密接な関係がある。カリウムは動物細胞内の主要な陽イオン（プラスイオン）であり（150 mmol/L、4.8 g/L）、ナトリウムは細胞外液の主要な陽イオンである（150 mmol/L、3.345 g/L）。腎臓では、1日に約180 リットルの血漿が糸球体（腎臓）｜糸球体を通って腎尿細管に濾過される。このろ過には、約600 mgのナトリウムと33 mgのカリウムが含まれる。ナトリウムの1～10 mgとカリウムの1～4 mgだけが食事で補充される可能性が高いので、腎ろ過は残りを血漿から効率的に再吸収しなければならない。

ナトリウムは、細胞外容量、浸透圧、血清ナトリウム濃度を狭い範囲内に維持するために再吸収される。カリウムは、血清カリウム濃度を狭い範囲内に維持するために再吸収される。腎尿細管のナトリウムポンプは、ナトリウムを再吸収するために作動する。カリウムは保存されなければならないが、血漿中のカリウム量は非常に少なく、細胞内のカリウムプールはその約30倍であるため、カリウムにとってそれほど危機的な状況ではない。カリウムは、見かけ上（実際にはそうではないが）のドナン平衡に応じて、ナトリウムと逆流しながら受動的に移動するため、尿は、処理の最後に積極的に水分を排泄する場合を除いて、血清中のカリウム濃度以下に沈むことはない。カリウムは尿が尿細管に達するまでに2回排泄され、3回再吸収される。その時点で、尿のカリウム濃度は通常血漿とほぼ同じである。処理の最後に、血清濃度が高すぎる場合は、カリウムがもう1回分泌される。

カリウムを摂取しないと、1日あたり約200 mgが排泄され、1週間ほどで血清中のカリウムは3.0～3.5 mmol/Lの軽度欠乏レベルまで低下する。それでもカリウムを控えると、重度の欠乏症が最終的に死に至るまで、濃度は下がり続ける。

カリウムは細胞膜の孔を通って受動的に移動する。イオンがイオントランスポーター（ポンプ）を通って移動するとき、ポンプには細胞膜の両側にゲートがあり、一度に開くことができるゲートは1つだけである。その結果、1秒間に約100個のイオンが押し出される。イオンチャネルにはゲートが1つしかなく、1種類のイオンしか流れない。細孔を開くにはカルシウムが必要であるが、カルシウムは細孔の少なくとも1つを塞ぐことで逆に働くこともある。アミノ酸の細孔内部のカルボニル基は、細孔内部の4つのカルボニル基の静電荷の性質によって、水溶液中で起こる水の水和を模倣している。

栄養

食事摂取基準

全米医学アカデミー（NAM）は、米国とカナダを代表して、推定平均所要量（EAR）と推奨食事許容量（RDA）を含む食事摂取基準、またはEARとRDAを設定するのに十分な情報がない場合の適正摂取量（AI）を設定する。

9歳未満の男女ともに、カリウムの基準値は以下の通りである： 0～6ヵ月児にはカリウム400 mg、7～12ヵ月児にはカリウム860 mg、1～3歳児にはカリウム2,000 mg、4～8歳児にはカリウム2,300 mgである。

9歳以上の男性の場合、カリウムのAIは以下の通りである： 9～13歳の男性ではカリウム2,500 mg、14～18歳の男性ではカリウム3,000 mg、19歳以上の男性では3,400 mgである。

9歳以上の女性の場合、カリウムのAIは2,300 mgである： 9～18歳の女性ではカリウム2,300 mg、19歳以上の女性ではカリウム2,600 mgである。

妊娠中および授乳中の女性については、カリウムのAIは次のとおりである： さらに、14～18歳の授乳期の女性にはカリウム2,500 mg、19歳以上の授乳期の女性にはカリウム2,800 mgである。安全性に関しては、NAMはビタミンとミネラルについても耐容上限摂取量（UL）を設定しているが、カリウムについてはエビデンスが不十分であったため、ULは設定されていない。

2004年現在、ほとんどのアメリカ人成人の摂取量は3,000 mg未満である。

同様に、欧州連合、特にドイツとイタリアでは、カリウムの摂取不足がやや一般的である。イギリス国民保健サービスも同様の摂取を推奨しており、成人は1日あたり3,500 mgが必要であり、過剰摂取は胃痛や下痢などの健康問題を引き起こす可能性があるとしている。

2019年、米国科学・工学・医学アカデミーは、カリウムの適正摂取量を、妊娠・授乳中でない19歳以上の女性は2,600 mg/日、19歳以上の男性は3,400 mg/日に改定した。

食物摂取源

カリウムはすべての果物、野菜、肉、魚に含まれている。カリウムを多く含む食品としては、ヤム、パセリ、干しアプリコット、牛乳、チョコレートなどがある、 ナッツ類（特にアーモンドとピスタチオ）、ジャガイモ、タケノコ、バナナ、アボカド、ココナッツウォーター、大豆、ふすまなどである。

米国農務省はまた、トマトペースト、オレンジジュース、ビートグリーン、白いんげん豆、プランタン、その他多くのカリウムの食事供給源を、カリウム含有量の多い順にリストアップしている。1日分のカリウムは、プランタン5個分またはバナナ11本分に含まれる。

摂取不足

カリウムの少ない食事は、高血圧や低カリウム血症の原因となる。

サプリメント化

カリウムのサプリメントは、遠位尿細管の上流でナトリウムと水の再吸収を阻害する利尿薬（サイアザイドおよびループ利尿薬）と併用するのが最も広く用いられている。さまざまな処方薬や市販のサプリメントが利用できる。塩化カリウムは水に溶かしてもよいが、塩辛い/苦い味がするため、液体のサプリメントは口に合わない。一般的な用量は10 mmol（400 mg）から20 mmol（800 mg）である。固形錠剤に隣接して発生する非常に高濃度のカリウムイオンは、胃や腸の粘膜を傷つける可能性があるため、カリウムがマトリックスからゆっくりと溶出するように処方されている。このため、米国では非処方のカリウム錠剤は、法律で最大99 mgのカリウムに制限されている。

カリウムの補給は、クエン酸塩や塩化物などの他の代謝産物と組み合わせて、特定の臨床効果を得ることもできる。

カリウムサプリメントは高血圧の影響を緩和し、心血管リスクを軽減するために採用されることがある。塩化カリウムと炭酸水素カリウムは軽度の高血圧をコントロールするのに有用であろう。2020年には、カリウムは米国で33番目に多く処方された医薬品であり、17 万以上の処方があった。カリウムの補給は、本態性高血圧患者の収縮期血圧と拡張期血圧の両方を低下させることが示されている。

さらに、放置すると腎合併症を引き起こす可能性のある腎結石の形成を予防する目的で、カリウムサプリメントが採用されることもある。カリウム濃度が低いと、腎臓でのカルシウム再吸収が低下し、尿中カルシウムの上昇や腎結石の形成リスクが高まる。適切なカリウム濃度を維持することで、このリスクを減らすことができる。

カリウムの作用機序には、細胞膜を横切るカリウムの移動を促進する様々な種類のトランスポーターやチャネルが関与している。このプロセスは、水素イオンの汲み出しを増加させる。その結果、胃酸の分泌が促進され、胃潰瘍の発症につながる可能性がある。

カリウムは骨の健康に関与している。体内の酸塩基平衡に寄与し、骨組織の保護に役立つ。カリウム塩は、骨の健康維持を助けるアルカリ成分を生成する。

糖尿病患者には、特に2型糖尿病患者にはカリウムの補給が必要かもしれない。カリウムは膵臓のβ細胞によるインスリンの分泌に不可欠であり、グルコースレベルを調節するのに役立っている。カリウムが十分でないと、インスリンの分泌が悪くなり、高血糖や糖尿病の悪化につながる。

カリウムの過剰摂取は、胃腸の不快感や心臓のリズムの乱れといった悪影響を及ぼす可能性がある。

カリウムの補給は潰瘍、特に消化性潰瘍疾患に関連して副作用をもたらす可能性がある。カリウムチャネルは胃酸分泌を増加させる可能性があり、潰瘍のリスクを高めることにつながる。消化性潰瘍疾患に使用される医薬品は「プロトンポンプ阻害薬」として知られ、H/K ATPaseを活性化するカリウムポンプを阻害することによって作用する。この阻害作用により、塩酸の胃壁細胞への分泌が抑制され、酸性合成が減少し、潰瘍のリスクが低下する。虚血性心疾患の治療に用いられる薬物であるニコランジルは、硝酸塩およびカリウムATPチャネルを刺激する可能性があり、その結果、消化管潰瘍、口腔潰瘍、肛門潰瘍などの副作用と関連している。カリウムサプリメントの長期的かつ慢性的な使用は、消化管（GI）以外の潰瘍など、より重篤な副作用に関連している。アンジオテンシノーゲン変換酵素阻害薬、アンジオテンシン受容体拮抗薬、カリウム温存利尿薬を服用している患者には、厳重な監視が必要である。

味蕾による検出

カリウムは、濃度に応じて5種類の味覚のうち3種類を誘発するため、味覚で感知することができる。カリウムイオンの希薄溶液は甘味を感じ、牛乳やジュースに適度な濃度で含まれるようになるが、高濃度になると苦味やアルカリ性が増し、最後には塩味も感じるようになる。高濃度カリウム溶液の苦味と塩味の組み合わせは、液体飲料による高用量カリウム補給を嗜好上の難題にしている。

注意事項

Potassium/ja

Hazards
GHS labelling:
Pictograms
Signal word	Danger
Hazard statements	H260, H314
Precautionary statements	P223, P231+P232, P280, P305+P351+P338, P370+P378, P422
NFPA 704 (fire diamond)	3 3 2 W

金属カリウムは水と激しく反応し、KOHと水素ガスを発生させる。

2 K(s) + 2 H
2O(l) → 2 KOH(aq) + H
2(g)↑

金属カリウムと水の反応。水素が発生し、カリウムの蒸気とともにピンク色または薄紫色の炎で燃える。溶液中で強アルカリ性の水酸化カリウムが生成する。

この反応は発熱性で、酸素の存在下、生成した水素を発火させるのに十分な熱を放出する。微粉末のカリウムは室温の空気中で発火する。バルクの金属は加熱すると空気中で発火する。密度は0.89 g/cm³であるため、燃焼したカリウムは大気中の酸素にさらされた水に浮く。水を含む多くの一般的な消火剤は効果がないか、カリウム火災を悪化させる。窒素、アルゴン、塩化ナトリウム（食卓塩）、炭酸ナトリウム（ソーダ灰）、二酸化ケイ素（砂）は乾燥していれば有効である。金属火災用のクラスD粉末消火器も有効である。これらの薬剤は火から酸素を奪い、カリウム金属を冷却する。

貯蔵中、カリウムは過酸化物やスーパーオキシドを形成する。これらの過酸化物は油などの有機化合物と激しく反応することがある。過酸化物も過酸化物も金属カリウムと爆発的に反応することがある。

カリウムは空気中の水蒸気と反応するため、通常、無水鉱物油または灯油の下で保管される。リチウムやナトリウムと異なり、カリウムは、不活性（酸素を含まない）雰囲気または真空下でない限り、6ヶ月を超えて油の下で保管すべきではない。空気中で長期間保管すると、衝撃に弱い危険な過酸化物が金属上や容器の蓋の下に形成され、開封時に爆発する恐れがある。

大量のカリウム化合物を摂取すると高カリウム血症を引き起こし、心血管系に強い影響を与える。塩化カリウムはアメリカでは致死注射の処刑に使われる。

参考文献

• Burkhardt, Elizabeth R. (2006). "Potassium and Potassium Alloys". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. A22. pp. 31–38. doi:10.1002/14356007.a22_031.pub2. ISBN 978-3-527-30673-2.
• Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
• Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (2007). "Potassium". Lehrbuch der Anorganischen Chemie (in German) (91–100 ed.). Walter de Gruyter. ISBN 978-3-11-017770-1.
• Schultz, H.; Bauer, G.; Schachl, E.; Hagedorn, F.; Schmittinger, P. (2006). "Potassium compounds". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. A22. pp. 39–103. doi:10.1002/14356007.a22_031.pub2. ISBN 978-3-527-30673-2.
• National Nutrient Database Archived 2014-08-10 at the Wayback Machine at USDA Website

外部リンク

• CID Potassium from PubChem