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カリウムは化学元素であり、記号 はK (新ラテン語のkaliumに由来)、原子番号は 19 です。銀白色の金属で、ナイフで簡単に切れるほど柔らかいです。[ 9 ]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色過酸化カリウムを生成します。カリウムは、植物の灰であるカリから最初に分離され、その名前が由来しています。周期表では、カリウムはアルカリ金属の 1 つであり、アルカリ金属はすべて最外殻に1 つの価電子を持ち、これは容易に除去されて正電荷を持つイオンを生成します ( 陰イオンと結合して塩を形成します)。自然界では、カリウムはイオン塩としてのみ存在します。元素カリウムは水と激しく反応し、反応で放出される水素に点火するのに十分な熱を発生させ、薄紫色の炎で燃焼します。海水（重量比でカリウムが0.04％）に溶解して存在し、[ 10 ] [ 11 ]花崗岩やその他の火成岩の一般的な構成要素である正長石などの多くの鉱物にも含まれています。[ 12 ]
カリウムは、周期表の第1族の前の元素であるナトリウムと化学的に非常によく似ています。両者は、それぞれの原子が唯一の最外殻電子を放出できる第一イオン化エネルギーが似ています。1702年に、これらは同じ陰イオンと結合して類似の塩を形成する異なる元素であると初めて提唱され[ 13 ] 、1807年に元素カリウムが電気分解によって初めて分離されたときに実証されました。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%がKは放射性である。40の痕跡カリウムは天然のカリウム源に含まれており、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、すべての生細胞の機能に不可欠です。神経細胞膜を介したカリウムイオンの輸送は、正常な神経伝達に必要であり、カリウムの欠乏と過剰は、不整脈や様々な心電図異常など、数多くの兆候や症状を引き起こす可能性があります。新鮮な果物や野菜は、カリウムの良い供給源です。体は、食事から摂取したカリウムの増加に反応し、血清カリウム値の変化を防ぐために、腎臓によるカリウム排泄を増加させ、肝臓や筋肉にカリウムを蓄積します。
カリウムの工業用途のほとんどは、塩水石鹸のように、カリウム化合物の水への高い溶解性を利用しています。作物の大量生産は土壌中のカリウムを急速に枯渇させますが、これはカリウムを含む農業用肥料で補うことができ、世界のカリウム化学生産の95%を占めています。[ 14 ]
元素カリウムの英語名は、さまざまなカリウム塩を抽出する初期の方法を指す「ポタッシュ」という言葉に由来しています。その方法は、燃やした木や木の葉の灰を鍋に入れ、水を加え、加熱し、溶液を蒸発させるというものです。ハンフリー・デービーは、金属そのものを単離した後、この元素をカリウムと名付けました。[ 15 ]
記号Kはkaliに由来し、kali 自体は語根alkaliに由来し、さらにその語根はアラビア語のالقَلْيَه al-qalyah「植物の灰」に由来します。1797 年、ドイツの化学者Martin Klaproth は鉱物LeuciteとLepidoliteから「potash」を発見し、「potash」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ました。[ 16 ] 1807 年、Humphry Davy は電気分解によってこの元素を生成し、1809 年、Ludwig Wilhelm Gilbert はDavy の「カリウム」にKaliumという名前を提案しました。 [ 17 ] 1814 年、スウェーデンの化学者Berzelius はカリウムにkaliumという名前を提唱し、化学記号はKとしました。[ 18 ]
英語圏とフランス語圏では、デービーやフランスの化学者ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサック、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たが、他のゲルマン語圏ではギルバートとクラプロートのカリウムという名称が採用された。[ 19 ]国際純正・応用化学連合の「ゴールドブック」では、公式の化学記号としてKが指定されている。[ 20 ]
カリウム金属は、1807年にハンフリー・デービーによって初めて単離されました。デービーは、新しく発見されたボルタ電池を用いて溶融した苛性カリ（KOH）を電気分解することでカリウムを得ました。カリウムは、電気分解によって単離された最初の金属でした。[ 21 ]同年後半、デービーは、植物塩ではなく鉱物誘導体（苛性ソーダ、NaOH、または苛性ソーダ）から同様の手法で金属ナトリウムを抽出したことを報告し、元素、したがって塩は異なることを実証しました。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]カリウムとナトリウム金属の生成は、両方とも元素であることを示しているはずでしたが、この見解が広く受け入れられるまでにはしばらく時間がかかりました。[ 23 ]
カリウムは柔らかい銀白色の固体で、ナイフで簡単に切断できます。[ 26 ]カリウムは水や空気に敏感なため、通常、この元素の取り扱いには無空気法が用いられます。窒素や鉱油や灯油などの飽和炭化水素とは反応しません。液体アンモニアには容易に溶解し、0 ℃ではアンモニア1000gあたり最大480gまで溶解して、電子をアニオンとするエレクトライド[ K (NH3 ) 6 ] + e−を形成します。[ 27 ]
カリウムは第一イオン化エネルギーが418.8 kJ/molと低いため 、強力な還元剤であり、他の物質と接触すると容易に電子を放出します。グラファイトとカリウム金属は グラファイト層間化合物を形成します。そのような化合物の1つは、負に帯電したグラファイトのK +塩として記述される金色の固体であるKC8の式を持ちます。 [ 28 ]カリウムは、塩化マグネシウムからマグネシウム粉末を作るリーケ法で示されているように、多くの塩を金属に還元することができます。[ 29 ]
ほとんどのカリウム化合物はイオン性である。K +イオンの高い水和エネルギーのため、これらの塩はしばしば優れた水溶性を示す。水溶液中の主な種はアクア錯体[ K(H2O ) n ] +であり、 n =6および7である。 [ 30 ]カリウム塩は通常有機溶媒には不溶であるが、クラウンエーテルやクリプタンド の存在下では極性有機溶媒に溶解する。これらの有機配位子はK +イオンを包み込み、親油性配位錯体を形成する。同様の錯体形成現象は、一部のイオン結合性抗生物質でも見られる。[ 31 ]
カリウムは多くの二元化合物、すなわちカリウムと他の1つの元素の化合物を形成します。その種類は非常に豊富ですが、1つの例外があります。カリウムの窒化物は知られていません。水素化カリウムは元素から直接形成されます。[ 32 ]
これは白色の自然発火性固体で、塩基として一部利用されている。
ハロゲン化物塩はすべてよく知られています。フッ化カリウム（KF）、塩化カリウム（KCl）、臭化カリウム（KF）、ヨウ化カリウム（KI）です。カリウムの4つの酸化物もよく研究されています。酸化カリウム（K₂O ）、過酸化カリウム（K₂O₂）、過酸化カリウム（KO₂）、オゾン化カリウム（KO₃ ）です。[ 33 ]これらの種はすべて加水分解（水と反応）して水酸化カリウムを生成します。同様に、硫化物、セレン化物、テルル化物の広範な種類が よく特徴付けられています。このような単純な塩は通常白色で反磁性ですが、KO₂は例外で、濃い黄色で常磁性です。[ 34 ]
無水物として見られることは稀ですが、KOH は商業的な観点から見てカリウムの主要な化合物の 1 つです。 強い塩基であり、腐食性が非常に高いです。親水性の性質を示す例として、 1 リットルの水に1.21 kg ものKOHを溶解することができます。 [ 35 ] [ 36 ] KOH は二酸化炭素( CO2 ) と容易に反応して炭酸カリウム( K2CO3 )を生成し、原理的には空気中の微量のガスを除去するために使用できます。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します。カリウムベースの石鹸はナトリウム石鹸よりも水に溶けやすいため、石鹸ディスペンサーで使用されています。[ 37 ]
硝酸塩、亜硝酸塩、硫酸塩、および各種リン酸塩もカリウム塩を形成し、これらはすべて白色の固体で、広く使用されています。これらの材料に典型的な熱安定性を示す例として、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、および亜硝酸ナトリウムは共晶を形成し、142～600℃で液体のままです。[ 38 ]
ナトリウム塩とカリウム塩は水溶液中ではほぼ同じ性質を示すが、溶解度の違いは実用上重要である。ヘプタフルオロタンタル酸カリウム（K 2 [ TaF 7 ] ）の独特な溶解度により、タンタルを、そうでなければ残留するニオブの不純物から精製することができる。[ 39 ] テトラフェニルホウ酸ナトリウム/テトラフェニルホウ酸カリウム、亜硝酸コバルトナトリウム/亜硝酸コバルトカリウム、およびヘキサクロロ白金酸ナトリウム/ヘキサクロロ白金酸カリウムの組み合わせでは、K +化合物の溶解度は Na +化合物の溶解度と著しく異なる。これらの違いが、K +の重量分析の基礎となっている。[ 27 ] [ 40 ]
いわゆる一次標準と呼ばれるいくつかのカリウム含有試薬は、対応するナトリウム塩とは対照的に、吸湿性がないという利点がある。したがって、酸化剤である二クロム酸カリウム、酸であるフタル酸水素カリウム、還元剤であるフェロシアン化カリウムは、吸湿による重量増加なしに空気中で取り扱うことができる。[ 41 ]カリウム塩は、クロム酸ナトリウムや過マンガン酸ナトリウムなどのナトリウム塩から製造されることが多く、これらは鉱石から直接得られる。[ 42 ]
有機カリウム化合物は主に学術的な関心の対象である。これらは極性の高い共有結合K-C結合を特徴とする。 [ 43 ]例としては、ジフェニルメチルカリウムKCH(C6H5 ) 2が挙げられる。[ 44 ]
カリウムには25種類の同位体が知られており、そのうち3種類は天然に存在する。39K（93.3％）、40K（0.0117％）、および41K（6.7％）（モル分率）。天然に存在する40Kの半減期は1.250 × 10⁹年。安定な40に崩壊します。電子捕獲または陽電子放出によるAr（11.2％）または安定な40Caはベータ崩壊により(88.8%) 崩壊する。 [ 45 ]この崩壊により、大気中のアルゴン濃度が比較的高くなる。 [ 46 ] : 40 40の崩壊Kから40Arは岩石の年代測定の一般的な方法の基礎となっている。従来のカリウム-アルゴン年代測定法は、岩石が形成された時点ではアルゴンを含まず、その後のすべての放射性アルゴン( 40Ar ) は定量的に保持された。鉱物の年代は、カリウムの濃度と放射性同位体40の量の測定によって決定される。蓄積されたAr。年代測定に最も適した鉱物には、黒雲母、白雲母、変成角閃石、火山長石などがあります。火山溶岩流や浅い貫入岩からの全岩サンプルも、変化していなければ年代測定できます。[ 45 ] [ 47 ]年代測定以外にも、カリウムは地球上の生命に必要な主要栄養素であるため、カリウム同位体は風化の研究や栄養循環の研究のトレーサーとして使用されてきました。[ 48 ]
40カリウムは天然カリウム（したがって一部の市販塩代替品）に十分な量含まれているため、それらの代替品の大きな袋は教室での実験における放射性線源として使用できる。40カリウムは人体に最も多く存在する放射性同位体である。健康な動物や人では、40Kは放射能の最大の供給源であり、14よりも大きい。C.体重70kgの人体には、約4,400個の40個の核が存在する。Kの崩壊は毎秒である。[ 49 ]天然カリウムの放射能は31 Bq /gである。[ 50 ]
植物にはナトリウムがほとんど含まれておらず、植物のその他の主要なミネラル成分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ため、カリは主にカリウム塩の混合物です。カリは古代から使用されてきましたが、その組成は理解されていませんでした。ゲオルク・エルンスト・シュタールは、1702年にナトリウム塩とカリウム塩の根本的な違いを示唆する実験的証拠を得ました[ 13 ]。アンリ・ルイ・デュアメル・デュ・モンソーは、 1736年にこの違いを証明することができました[ 51 ]。当時、カリウム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のリストに含めませんでした[ 22 ] [ 23 ]。長い間、カリの重要な用途は、硝酸カリウムとしてガラス、漂白剤、石鹸、火薬の製造だけでした。 [ 52 ]動物性脂肪や植物油から作られたカリウム石鹸は、水溶性が高く、質感も柔らかいため、特に重宝され、軟質石鹸として知られています。[ 14 ] 1840 年にユストゥス・リービッヒがカリウムは植物に必要な元素であり、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[ 53 ]、カリウム塩の需要が急激に増加しました。当初はモミの木の木灰が肥料のカリウム塩源として使用されていましたが、1868 年にドイツのシュタッフルト近郊で塩化カリウムを含む鉱床が発見されたことで、カリウム含有肥料の工業規模での生産が始まりました。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]他のカリウム鉱床も発見され、1960 年代までにカナダが主要生産国となりました。[ 57 ] [ 58 ]
カリウムは超新星爆発において、より軽い原子からの元素合成によって生成される。カリウムはII型超新星爆発において、おそらく爆発段階中に酸素を消費する核反応によって生成されると考えられている。 [ 59 ] [ 60 ] 40Kはs過程核合成およびネオン燃焼過程でも生成される。[ 61 ]
カリウムは太陽系で20番目に豊富な元素であり、地球上では重量で17番目に豊富な元素です。地球の地殻の重量の約2.6%を占め、地殻で7番目に豊富な元素です。[ 62 ]海水中のカリウム濃度は0.39 g/L [ 10 ] (0.039 wt/v%)で、ナトリウム濃度の約27分の1です。[ 63 ] [ 64 ]
元素カリウムは水や酸素との反応性が高いため、自然界には存在しない。[ 27 ]
正長石（カリウム長石）は一般的な造岩鉱物です。例えば花崗岩にはカリウムが5%含まれており、これは地殻の平均をはるかに上回っています。シルバイト（KCl）、カーナライト（KCl・MgCl₂・6H₂O）、カイナイト（MgSO₄・KCl・3H₂O ）、ランベナイト（MgSO₄・K₂SO₄ ）は、世界中の大規模な蒸発岩鉱床で見られる鉱物です。これらの鉱床は、溶解度の低いものが下から始まり、溶解度の高いものが上へと層状になっていることがよくあります。[ 64 ]硝石（硝酸カリウム）の鉱床は、主に洞窟内で大気と接触した有機物の分解によって形成されます。硝石は水溶性が高いため、大規模な鉱床の形成には特別な環境条件が必要です。[ 65 ]
カルナライト、ランベナイト、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囲にわたる蒸発岩鉱床を形成しており、[ 63 ]これらの環境でのカリウム塩の抽出は商業的に実現可能である。カリウムの主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、米国、ヨルダン、および世界各地で採掘されている。[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]最初に採掘された鉱床はドイツのシュタスフルト近郊にあったが、鉱床はイギリスからドイツを経てポーランドまで広がっている。これらはツェヒシュタインにあり、中期から後期ペルム紀に堆積した。カナダはカリの生産で世界をリードしており、最も採掘しやすい鉱床はカナダのサスカチュワン州の地表下1,000メートル（3,300フィート）にある。[ 69 ]死海の水はイスラエルとヨルダンでカリウムの供給源として利用されているが、通常の海洋の濃度は現在の価格では商業生産するには低すぎる。[ 67 ] [ 68 ]
カリウム塩をナトリウムおよびマグネシウム化合物から分離するためにいくつかの方法が用いられています。最もよく用いられる方法は、塩の溶解度の違いを利用した分別沈殿法です。一部の鉱山では、粉砕した塩混合物の静電分離も用いられています。得られたナトリウムおよびマグネシウム廃棄物は、地下に貯蔵されるか、スラグの山に積み上げられます。採掘されたカリウム鉱物のほとんどは、処理後に塩化カリウムになります。鉱業では、塩化カリウムをカリ、塩化カリウム、または単にMOPと呼んでいます。[ 64 ]
カリウム金属は、1807年にハンフリー・デービーが初めて使用して以来ほとんど変わっていないプロセスで、水酸化物の電気分解によって分離することができる。 [ 46 ]： 40電気分解プロセスは1920年代に開発され、工業規模で使用されたが、ナトリウムと塩化カリウムを化学平衡反応で反応させる熱法、
1950年代には主流の方法となった。[ 46 ]： 40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行われる。フッ化カリウムと炭化カルシウムの反応を利用するグリースハイマー法もカリウムの製造に使用された。[ 64 ] [ 70 ]
カリウムは、従来の炎色反応で検出できます。カリウム化合物は、ピーク発光波長が766.5ナノメートルのライラック色を発します。 [ 71 ]カリウムは、炎光光度計や蛍光X線分析などの分光法で定量できます。従来の重量分析は、肥料産業（カリウムの主な用途）で今でも使用されています。主な分析試薬はヘキサクロロ白金酸です。[ 72 ] K +イオン を含む溶液をこの白金化合物の過剰量で処理すると、ヘキサクロロ白金酸カリウムが定量的に沈殿します。これは容易に秤量でき、吸湿性はありません。
同様の分析手順により、テトラフェニルホウ酸ナトリウムからテトラフェニルホウ酸カリウムの沈殿物が得られる。
カリウムイオンは植物栄養の必須成分であり、ほとんどの土壌タイプに存在します。[ 14 ]これらは、農業、園芸、水耕栽培において、塩化物（KCl）、硫酸塩（K2SO4）、硝酸塩（KNO3 ）の形で肥料として使用され、 「NPK」の「K」に相当します。農業用肥料は世界のカリウム化学生産の95%を消費し、このカリウムの約90%はKClとして供給されています。[ 14 ]ほとんどの植物のカリウム含有量は、収穫された作物の重量の0.5%から2%の範囲であり、慣習的にK2Oの量として表されます。現代の高収量農業は、収穫時に失われたカリウムを補うために肥料に依存しています。ほとんどの農業用肥料には塩化カリウムが含まれていますが、硫酸カリウムは塩化物に敏感な作物や硫黄含有量が高い作物に使用されます。硫酸塩は主に複合鉱物カイナイト（MgSO₄・KCl・3H₂O ）とランベナイト（MgSO₄・K₂SO₄ ）の分解によって生成されます。硝酸カリウムを含む肥料はごくわずかです。[ 73 ] 2005年には、世界のカリウム生産量の約93%が肥料産業で消費されました。[ 68 ]さらに、カリウムは落葉の組成を制御することで栄養循環において重要な役割を果たすことができます。[ 74 ]
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症の治療に使用されます。[ 75 ]
カリウムは、塩化カリウムの形で、低カリウム血症の治療と予防のための薬として使用されます。[ 76 ]低カリウム血症は、嘔吐、下痢、または特定の薬によって起こることがあります。 [ 77 ]静脈への緩徐な注射、または経口投与によって投与されます。 [ 78 ]
酒石酸カリウムナトリウム（KNaC 4 H 4 O 6、ロッシェル塩）は、一部のベーキングパウダーの主成分であり、鏡の銀メッキにも使用されます。臭素酸カリウム（KBrO 3）は強力な酸化剤（E924）で、生地の強度と膨らみを向上させるために使用されます。亜硫酸水素カリウム（KHSO 3）は、食品保存料として、例えばワインやビールの製造（ただし肉類には使用しない）に使用されます。また、繊維や藁の漂白、皮革のなめしにも使用されます。[ 79 ] [ 80 ]
主要なカリウム化合物は、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。これらの化合物は毎年メガトン単位で生産されている。[ 81 ]
KOHは強塩基であり、工業では強酸や弱酸の中和、pHの調整、カリウム塩の製造に使用されます。また、脂肪や油の鹸化、工業用洗浄剤、エステルなどの加水分解反応にも使用されます。[ 82 ] [ 83 ]
硝酸カリウム（KNO 3 ）または硝石は、グアノや蒸発岩などの天然資源から得られるか、ハーバー法によって製造されます。火薬（黒色火薬）の酸化剤であり、重要な農業用肥料です。シアン化カリウム（KCN）は、銅や貴金属、特に銀や金を錯体を形成することによって溶解するために工業的に使用されます。その用途には、これらの金属の金採掘、電気めっき、電鋳が含まれます。また、ニトリルを作るための有機合成にも使用されます。炭酸カリウム（K 2 CO 3または炭酸カリウム）は、ガラス、石鹸、カラーテレビ管、蛍光灯、繊維染料、顔料の製造に使用されます。[ 84 ]過マンガン酸カリウム（KMnO 4 ）は、酸化剤、漂白剤、精製剤であり、サッカリンの製造に使用されます。塩素酸カリウム（KClO 3）はマッチや爆発物に添加される。臭化カリウム（KBr）はかつて鎮静剤や写真に使用されていた。[ 14 ]
クロム酸カリウム（K 2 CrO 4 ）は、インク、染料、木材着色剤（木材中のタンニン酸と反応させる）、爆発物、花火、ハエ取り紙、安全マッチなどのさまざまな商業製品の製造に使用され、[ 85 ]また皮革のなめしにも使用されますが、これらの用途はすべて、カリウムイオンの化学ではなく、クロム酸イオンの化学によるものです。[ 86 ]
さまざまなカリウム化合物には何千もの用途があります。その一例として、オレンジ色の固体である過酸化カリウム（KO 2）があり、これは携帯可能な酸素源および二酸化炭素吸収剤として機能します。気体酸素よりも体積が少ないため、鉱山、潜水艦、宇宙船の呼吸システムに広く使用されています。[ 87 ] [ 88 ]
別の例としては、硝酸コバルトカリウム、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という名前で画家の顔料として使用されています。[ 89 ]
カリウムの安定同位体はレーザー冷却が可能で、量子物理学における基礎的および技術的な問題を調査するために使用できる。2つのボソン同位体は、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ち、 40Kはアルカリ金属の中で安定なフェルミオンの2つのうちの1つである。 [ 90 ]
ナトリウムとカリウムの合金であるNaKは、熱伝達媒体および乾燥して空気を含まない溶媒を製造するための乾燥剤として使用される液体です。反応蒸留にも使用できます。[ 91 ] 12% Na、47% K、41% Csの三元合金は、あらゆる金属化合物の中で最も低い融点である-78 ℃を持っています。[ 26 ]
金属カリウムは、いくつかのタイプの磁力計に使用されています。[ 92 ]
カリウムは多様な植物種にとって不可欠である。植物の成長に必要な細胞液と根の内部圧力を維持する上で重要な役割を果たす。カリウムは植物の代謝と二酸化炭素の吸収を促進する。[ 46 ]： 48
カリウムは人体において質量比で8番目または9番目に多い元素（0.2%）であり、60kgの 成人には合計で約120g のカリウムが含まれています。[ 93 ]人体には硫黄や塩素とほぼ同量のカリウムがあり、カルシウムとリンだけがそれよりも豊富です（遍在するCHON元素を除く）。[ 94 ]カリウムイオンは、さまざまなタンパク質や酵素に存在します。[ 95 ]人体のカリウムの98%は個々の細胞内に存在します。[ 96 ]
カリウム濃度は、以下を含む複数の生理学的プロセスに影響を与えます。[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]
ほぼすべての細胞には、ナトリウムイオンを細胞外へ、カリウムイオンを細胞内へ輸送し、細胞機能に不可欠な狭い濃度範囲でバランスを維持するナトリウム-カリウムポンプが存在する。この内部恒常性メカニズムには、細胞間空間の血漿中のカリウムイオン濃度を維持するための外部恒常性メカニズムが必要である。外部恒常性は主に腎臓によって提供される。[ 102 ]
イオン輸送システムは、2 つのメカニズムを使用してカリウムを細胞膜を介して移動させます。1 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込みます。もう 1 つは受動的で、カリウムが細胞外に漏れ出すことを可能にします。カリウムおよびナトリウム陽イオンは、浸透圧によって細胞内および細胞外コンパートメント間の体液分布に影響を与えます。カリウムとナトリウムの細胞膜を介した移動は、 Na⁺/K⁺-ATPaseポンプによって媒介されます。[ 103 ]このイオンポンプは、 ATPを使用して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込み、細胞膜を横切る電気化学的勾配と起電力を生成します。たとえば、高選択性カリウムイオンチャネル(四量体) は、活動電位が誘発された後のニューロン内の過分極に不可欠です。最近発見されたカリウムイオンチャネルはKirBac3.1であり、構造が決定されているカリウムイオンチャネルは合計5つ（KcsA、KirBac1.1、KirBac3.1、KvAP、およびMthK）である。これら5つはすべて原核生物種由来である。[ 104 ]
カリウムは肝臓や筋肉に隔離されることがある。このカリウムは、食事の合間に細胞外血漿に放出され、カリウム濃度を維持する。[ 102 ]
血漿カリウムは通常、複数のメカニズムによって1リットルあたり3.5～5.5ミリモル（mmol）[またはミリ当量（mEq）]に維持されている。[ 105 ]急性心筋梗塞患者の死亡率を低下させるには、さらに狭い範囲が必要となる。[ 106 ]
平均的な食事で摂取するカリウム40～ 50mmolは、血漿中のカリウム総量（20～25mmol）よりも多くのカリウムを体内に供給します 。腎臓および腎臓以外の外部恒常性メカニズムにより、血漿カリウムの上昇は10%未満に制限されます。[ 107 ]
低カリウム血症は、血漿中のカリウムが不足する状態であり、重症化すると致命的となることがあります。一般的な原因としては、消化管からのカリウム喪失の増加（嘔吐、下痢）や腎臓からのカリウム喪失の増加（利尿）が挙げられます。[ 108 ]カリウム欠乏症の症状には、筋力低下、麻痺性イレウス、心電図異常、反射反応の低下などがあり、重症の場合は呼吸麻痺、アルカローシス、不整脈などがみられます。[ 109 ]
血漿中のカリウム含有量は、3つの基本的なメカニズムによって厳密に制御されています。[ 102 ]
反応性負のフィードバックシステムとは、血漿カリウムの上昇（カリウム摂取、細胞外への移動、または静脈内輸液）に応じて腎臓からのカリウム分泌を誘発するシステムのことである。[ 102 ]
反応性フィードフォワードシステムとは、血漿カリウム濃度の上昇に先立ってカリウム摂取に反応して腎臓のカリウム分泌を誘導する、まだ十分に解明されていないシステムのことである。これはおそらく、摂取されたカリウムを感知し、迷走神経求心性信号を脳下垂体に送ることで開始されると考えられる。[ 102 ]
予測システムまたは概日システムは、カリウム摂取の有無、量、または不在に関わらず、食事時間帯（ヒトの場合は日中、げっ歯類の場合は夜間）に腎臓からのカリウム分泌を増加させます。これは、脳の視交叉上核にある概日振動子（中枢時計）によって媒介され、腎臓（末梢時計）にこのリズミカルな概日様式でカリウムを分泌させます。[ 102 ]
カリウムイオンは、糸球体から腎臓の尿細管に入る血漿から再吸収されます。遠位尿細管に到達するカリウムはごくわずかです。[ 110 ]
カリウムの腎臓での処理はナトリウムの処理と密接に関連しています。カリウムは動物細胞内の主要な陽イオン（150 mmol/L、4.8 g/L）であり、ナトリウムは細胞外液 の主要な陽イオン（150 mmol/L、3.345 g/L）です。腎臓では、1日に約180リットルの血漿が糸球体を通って尿細管に濾過されます。 [ 111 ]ナトリウムは、細胞外液量、浸透圧、および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ます。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ます。[ 112 ]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機能します。カリウムは保持されなければなりませんが、血漿中のカリウムの量は非常に少なく、細胞内のカリウムのプールは約30倍大きいため、カリウムに関してはそれほど危機的な状況ではありません。カリウムは、見かけ上の（ただし実際ではない）ドナン平衡に応じてナトリウムと逆方向に受動的に移動するため[ 113 ] [ 114 ] 、尿は、処理の最後に能動的に水を排泄する場合を除いて、血清中のカリウム濃度を下回ることはありません。カリウムは、尿が集合管に到達する前に2回排泄され、3回再吸収されます。[ 116 ]
カリウムを摂取しないと、1日あたり約200mgが排泄され、 約1週間で血清中のカリウム濃度が3.0～3.5mmol /Lの軽度欠乏レベルまで低下します。[ 117 ]カリウムの摂取がさらに制限されると、濃度は低下し続け、重度の欠乏により最終的に死に至ります。[ 118 ]
カリウムは細胞膜の孔を通って受動的に移動します。イオンがイオン輸送体（ポンプ）を通って移動する場合、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つだけです。その結果、毎秒約100個のイオンが押し出されます。イオンチャネルにはゲートが1つしかなく、毎秒1000万個から1億個のイオンが流れることができるのは1種類のイオンだけです。[ 119 ]カルシウムは孔を開くために必要ですが、[ 120 ]カルシウムは少なくとも1つの孔をブロックすることで逆の働きをする可能性があります。[ 121 ]アミノ酸の孔内のカルボニル基は、孔内の4つのカルボニル基の静電荷の性質により、水溶液中で起こる水和を模倣します。[ 122 ] [ 123 ]
米国国立医学アカデミー（NAM）は、米国とカナダの両方を代表して、推定平均必要量（EAR）と推奨栄養所要量（RDA）を含む食事摂取基準を設定しています。また、EARとRDAを設定するのに十分な情報がない場合には、目安摂取量 （AI）を設定します。9歳未満の男女両方について、カリウムのAIは次のとおりです。0 ～6か月の乳児はカリウム400mg、 7～12か月の乳児はカリウム860mg、 1～3歳の子供はカリウム2,000mg、 4～8歳の子供はカリウム2,300mgです。 9歳以上の男性の場合、カリウムのAIは、 9～13歳の男性ではカリウム2,500mg、 14～18歳の男性ではカリウム3,000mg、 19歳以上の男性ではカリウム3,400mgです。9歳以上の女性の場合、カリウムのAIは、 9～18歳の女性ではカリウム2,300mg、 19歳以上の女性ではカリウム2,600mgです。妊娠中および授乳中の女性の場合、カリウムのAIは、 14～18歳の妊婦ではカリウム2,600mg、 19歳以上の妊婦ではカリウム2,900mgです。さらに、 14～18歳の授乳中の女性には2,500mgのカリウム、 19歳以上の授乳中の女性には2,800mgのカリウムが推奨されています。安全性に関しては、NAMはビタミンとミネラルの許容上限摂取量（UL）も設定していますが、カリウムについては証拠が不十分であったため、ULは設定されていません。[ 124 ] [ 125 ]
2004年時点で、ほとんどのアメリカの成人は3,000mg未満を摂取している 。[ 126 ]
同様に、欧州連合、特にドイツとイタリアでは、カリウム摂取不足がやや一般的である。[ 127 ]英国の国民保健サービス（NHS）は、「成人（19～64歳）は、1日3500mg まで摂取すべきであり、過剰摂取は腹痛や下痢などの健康問題を引き起こす可能性がある。[ 128 ]
カリウムはすべての果物、野菜、肉、魚に含まれています。カリウム濃度が高い食品には、ヤムイモ、パセリ、干し杏、牛乳、チョコレート、すべてのナッツ類（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、ふすまなどがあります。[ 129 ]
米国 農務省は、カリウム含有量の多い順に、トマトペースト、オレンジジュース、ビートの葉、白インゲン豆、プランテン、その他多くのカリウム源を挙げている。1日分のカリウムは、プランテン5本またはバナナ11本に含まれる。[ 130 ]
軽度の低カリウム血症は明確な症状を引き起こさないものの、高血圧[ 131 ] [ 132 ]や不整脈[ 133 ]の危険因子である。重度の低カリウム血症は通常、高血圧、不整脈、筋肉のけいれん、疲労、脱力感、便秘を 伴う[ 133 ]。低カリウム血症の原因には、嘔吐、下痢、フロセミドやステロイドなどの薬剤、腎透析、尿崩症、原発性アルドステロン症、低マグネシウム血症など がある[ 133 ]。
入院患者の20%にみられる一般的な電解質異常である低カリウム血症の治療または予防には、カリウム補充が必要です。低カリウム血症の原因は数多くありますが、臨床現場では、ナトリウムと水の再吸収を阻害する利尿薬が最も一般的な薬剤原因です。[ 134 ]
処方箋が必要なサプリメントや市販のサプリメントなど、さまざまな種類が入手可能です。[ 135 ]塩化カリウムは水に溶かすことができますが、塩辛くて苦い味のため、液体サプリメントは飲みにくいです。[ 136 ] [ 137 ] カリウムは錠剤やカプセルでも入手可能で、これらは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ます。[ 78 ]カリウムの作用機序には、細胞膜を通過するカリウムの移動を促進するさまざまなタイプの輸送体とチャネルが関与しています。このプロセスにより、水素イオンのポンプ作用が増加する可能性があります。これにより、胃酸の産生が増加し、胃潰瘍の発症につながる可能性があります。[ 138 ]米国のFDAの規則では、99mgを超えるカリウムを含む処方箋不要のカリウム錠剤には、この問題に関する警告を表示することが義務付けられています 。[ 139 ]
食事からのカリウム摂取に関する研究では、摂取量が多いほど血圧が低いことが示されています。[ 140 ]高血圧の影響を軽減し、それによって心血管リスクを低減するためのカリウムサプリメントに関する研究では、相反する結論が出ています。一部の研究では「わずかではあるが有意な影響」が報告されています。[ 141 ]他の研究では効果がないことがわかりました。塩化カリウムと重炭酸カリウムは、軽度の高血圧をコントロールするのに役立つ可能性があります。[ 142 ] 2020年、カリウムは米国で33番目に多く処方された薬であり、1700万件以上の 処方がありました。[ 143 ] [ 144 ]
カリウムサプリメントのその他の用途としては、放置すると腎臓合併症につながる可能性のある腎結石の形成を予防することが挙げられます。カリウムは骨の健康にも関与しています。体内の酸塩基平衡に寄与し、骨組織の保護に役立ちます。2型糖尿病患者の場合、カリウムサプリメントが必要になることがあります。カリウムは膵臓のβ細胞によるインスリン分泌に不可欠であり、血糖値の調節に役立ちます。[ 138 ]
カリウムの過剰摂取は、胃腸の不快感や心拍リズムの乱れなどの悪影響を及ぼす可能性があります。[ 138 ]塩化カリウム錠は特に錠剤食道炎と関連付けられています。[ 145 ]
カリウムは、濃度に応じて5種類の味覚のうち3種類を引き起こすため、味覚で感知できます。カリウムイオンの希釈溶液は甘味があり、牛乳やジュースに中程度の濃度で使用できますが、濃度が高くなると苦味/アルカリ性が増し、最終的には塩味も感じられます。高濃度のカリウム溶液の苦味と塩味が合わさることで、液体飲料による高用量のカリウム補給は、味覚上の課題となります。[ 136 ] [ 146 ]食品添加物としての塩化カリウムは塩味があります。カリウム摂取量を増やしたい、またはナトリウム摂取量を減らしたい人は、医療専門家に安全かどうかを確認した後、調理や食卓で使用する塩化ナトリウム（食卓塩）の一部または全部を塩化カリウムに置き換えることができます。[ 147 ]
カリウム金属は水と激しく反応し、水酸化カリウム（KOH）と水素ガスを生成する。
この反応は発熱反応であり、酸素が存在すると生成した水素に引火するのに十分な熱を放出します。微粉末状のカリウムは室温で空気中で引火します。塊状の金属も加熱すると空気中で引火します。密度が0.89 g/cm 3であるため、燃焼中のカリウムは水に浮き、大気中の酸素にさらされます。水を含む多くの一般的な消火剤は、カリウム火災には効果がないか、悪化させます。窒素、アルゴン、塩化ナトリウム（食塩）、炭酸ナトリウム（ソーダ灰）、二酸化ケイ素（砂）は、乾燥していれば効果的です。金属火災用に設計された一部のD級粉末消火器も効果的です。これらの消火剤は火から酸素を奪い、カリウム金属を冷却します。[ 149 ]
保管中、カリウムは過酸化物とスーパーオキシドを生成します。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可能性があります。過酸化物とスーパーオキシドの両方が金属カリウムと爆発的に反応する可能性があります。[ 150 ]
カリウムは空気中の水蒸気と反応するため、通常は無水鉱油または灯油の下に保管されます。リチウムやナトリウムとは異なり、カリウムは不活性（酸素のない）雰囲気または真空下でない限り、6か月以上油の下に保管してはなりません。空気中に長期間保管すると、容器の金属面や蓋の下に危険な衝撃に敏感な過酸化物が生成され、開封時に爆発する可能性があります。[ 151 ]
大量のカリウム化合物、特定の薬剤、および恒常性障害の摂取は、高カリウム血症を引き起こし、致命的となる可能性のあるさまざまな徐脈性および頻脈性不整脈につながる可能性があります。[ 152 ] [ 153 ] [ 154 ]塩化カリウムは、米国で致死注射による死刑執行に使用されています。[ 152 ]
カリウムの物理的性質
p. 157:
カリウム
と
ナトロニウム
のヴォルシュラーゲンを理解するためのドイツ命名法で
は、ヘルン・エルマン・ゲブラウテンとフォン・メーレレン・アンゲノメネン・ベネンヌンゲン
・カリ・メタロイド
と
ナトロン・メタロイド
、ビス・ツア・ヴェリゲン・アウフクラーン・デアchemischen Natur dieser räthzelhaften Körper bleiben になります。
金属
と
メタロイド
、
カリウム
と
ナトロニウムの
セットを見つけることができます
。 — ギルバート。 (私たちのドイツ語の命名法では、これらの不可解な物質の化学的性質が完全に解明さ
れる
まで
、
エルマン氏[つまりドイツの物理学教授
パウル・エルマン
(1764-1851)]によって使用され、数人の[人々]によって受け入れられている名称
カリメタロイド
と
ナトロンメタロイド
を続けたくない場合は、カリウムとナトロニウムという名前を提案します。あるいは、おそらく、現時点では2つのクラスを作成する方が賢明であると考える人もいるでしょう。
金属
と
半金属
、そして後者に
カリウム
と
ナトロニウム
を置く— ギルバート。)
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