칼륨

배터리의 새로운 소재로 떠오른 칼륨 금속. 사진-마이닝닷컴.

칼륨 준위별 전자 수(2, 8, 8, 1)

칼륨(Kalium)은 알칼리 금속에 속하는 1족 화학 원소로 기호는 K이고 원자 번호는 19이다. 포타슘(Potassium)이라고도 한다. 무른 은백색 금속으로 바닷물이나 다른 광물에 주로 화합물의 형태로 널리 분포한다. 공기나 물 속에서 급격히 반응하여 산화하며, 나트륨과 화학적 성질이 비슷하다.

2000년 대한화학회에서 공식 명칭을 IUPAC 명칭인 포타슘으로 개정하되, 당분간은 칼륨도 혼용할 수 있다고 정했다. 대한화학회에서는 2014년부터 포타슘 단독 표기로 방침을 바꿨다. 현재의 국립국어원 지정 표준어는 칼륨이다.

1가 양이온 칼륨(K⁺ )이 포함된 염 즉, 질산칼륨(KNO₂), 염화칼륨(KCl), 황화칼륨(K₂S), 황산칼륨(K₂SO₄), 탄산칼륨(K₂CO₃)은 물에 잘 녹는다.

최근 칼륨 금속은 배터리의 새로운 소재로 떠오르고 있다. 전기차의 동력원인 리튬이온 배터리에 새로운 경쟁자가 등장했는데 바로 칼륨 배터리다.

개요

칼륨은 영국의 화학자 험프리 데이비가 처음 분리해 칼륨은 데이비가 발견한 최초의 원소였다. 1807년에 데이비는 녹은 가성칼리(수산화칼륨, KOH)에 전류를 흐르게 했을 때 은회색 칼륨 입자가 "쉿 소리와 함께 아름다운 라벤더 불꽃을 내면서 탔다"고 말했다.

데이비는 칼륨을 발견할 때 사용한 화합물의 이름을 따서 이 원소를 포타슘이라고 불렀다. 이 화합물의 이름은 고사리 같은 식물을 태웠을 때 남는 재의 이름에서 유래했다. 이 재는 비누로 사용되었다. 수산화나트륨과 함께 수산화칼륨은 아직도 비누 제조에 사용되고 있다.

칼륨으로 만든 비누는 물에 잘 녹는다. 따라서 액체비누는 보통 수산화칼륨으로 만들고 고체 비누는 수산화나트륨으로 만든다. 칼륨의 원소기호 K는 알칼리를 뜻하는 라틴어 칼륨의 첫 글자를 딴 것이다.

칼륨은 지각에 일곱 번째로 풍부한 원소이다. 산업체에서는 칼륨을 함유한 광물 염화칼륨(KCl)을 순수한 나트륨 증기로 가열하여 순수한 칼륨을 생산한다. 나트륨이 칼륨을 대체하여 염화나트륨을 만들고 순수한 칼륨을 증기 형태로 방출한다. 매년 약 200톤 정도의 칼륨이 생산된다. 나트륨과 마찬가지로 산업체에서는 칼륨 원소가 아니라 칼륨 화합물을 이용한다. 칼륨은 반응성이 커서 수송이 어렵고 비싸기 때문이다.

가장 중요한 칼륨 화합물 세 가지는 염화칼륨(KCl), 질산칼륨(KNO₃) 그리고 수산화칼륨(KOH)이다. 생산된 염화칼륨과 질산칼륨의 90% 이상은 비료 생산에 사용된다. 대부분의 비료는 식물의 생장에 필수적인 질소, 인, 칼륨의 세 가지 원소를 혼합하여 만든다. 새의 배설물(구아노)이나 초석에서 얻어지는 질산칼륨은 전통적으로 화약 제조에 사용되었다. 비누 제조뿐만 아니라 화학공업에서 널리 사용되는 수산화칼륨은 재충전 가능한 니켈 카드뮴 배터리(NiCad)와 수산화니켈금속(NiMH) 전지를 포함한 알칼라인 전지에도 사용된다.

칼륨은 사람을 포함한 동물의 신경 신호 전달에서 핵심 역할을 하며 나트륨과 마찬가지로 중요한 전해질이다. 성인의 몸에는 평균 140g 정도의 칼륨이 있는데 대부분 적혈구 안에 칼륨 이온(K⁺)으로 용해되어 있다.

모든 과일과 채소는 칼륨이 풍부해 채식주의자들이 육식을 즐기는 사람들보다 칼륨을 더 많이 섭취한다. 중간 크기의 바나나에는 100만 곱하기 100만 곱하기 100만 곱하기 5000개의 칼륨 원자에 해당하는 약 400mg의 칼륨이 있다.

약 1만 개의 칼륨 원자 중 한 개는 불안정해서 베타붕괴를 하는 반감기가 약 10억 년인 칼륨-40 동위원소이다(불안정한 원자핵 참조). 보통 크기의 바나나에서는 매초 대략 15개 정도의 칼륨-40이 붕괴하여 강한 에너지를 가지는 베타선을 방출한다. 우리 몸 안에서도 매초 수천 개의 칼륨-40이 붕괴하는데 이때 나오는 베타선이 DNA를 손상시킬 수 있다. 다행스러운 점은 세포가 DNA 수선 키트를 가지고 있어 이런 종류의 손상 대부분을 수선할 수 있다.

물리적 특성

대단히 무르며 껌과 비슷한 강도를 지녔다. 매우 물러 미끄러지듯 잘린다.

화학적 특성

공기중에서 자발적으로 발화할 수 있다. 산소와 반응하여 산화칼륨과 과산화칼륨을 생성한다. 과산화칼륨은 격심한 폭발성을 지니고 있기에 칼륨 금속이 들어있는 병을 열다 마찰에 의해 폭발하는 경우가 있다. 물과 급속도로 반응하여 폭발한다. 이때 칼륨의 보라빛 불꽃을 관찰할 수 있다. 나트륨과 비교해 반응성이 상당히 크기에 취급에 대단한 주의를 기울여야 한다. 리튬, 나트륨과 마찬가지로 보관에 케로센이나 파라핀유를 사용할 수 있지만 이들의 존재 하에서 마저도 쉽게 산화되기에 오래 보존하는 경우 아르곤 대기 하에 보존하거나 이중병을 사용하는 것이 좋다. 칼륨 금속을 전혀 산화되지 않게 보관하는 것은 매우 어렵다. 나트륨과 임의의 비율로 섞여 나크(NaK) 합금을 만든다. 나크 합금은 액체 상태이며 역시 물과 격렬히 반응한다. 액체 암모니아에 녹아 푸른 빛을 띠는 용액이 된다. 알코올과 격렬히 반응한다.

생물학적 역할

섭취된 칼륨이 흡수되고 문맥 순환으로 들어옴에 따라 인슐린 분비가 자극된다. 인슐린은 또한 세포막의 나트륨-칼륨 펌프(Na+/K+-ATPase)를 자극하여 칼륨이 세포 내로 들어오는 것을 촉진하기 때문에, 당뇨병과 같이 인슐린 합성에 문제가 있는 환자들은 고칼륨혈증이 발생하기 쉽다. 아드레날린 수용체 작용제(β2-adrenergic agonists) 또한 칼륨이 세포 내로 유입되는 것을 촉진하며, 세포 외의 칼륨 농도가 증가하면 앤지오텐신에 의해 알도스테론 분비가 자극되고, 이것이 칼륨의 배출량을 증가시킨다. 체내 칼륨 균형이 정상인 상태에서 칼륨 배출은 체내의 칼륨 공급에 따라 조절되는데, 섭취한 칼륨의 약 90%는 소변으로 배출되고 나머지 약 10%는 대변으로 배출된다.

또한 산혈증이나 알칼리혈증도 칼륨의 세포 간 이동에 영향을 줄 수 있다. 산혈증이 있는 경우에는 세포 외의 수소 양이온 농도가 높아지면서 수소 양이온이 세포 내로 들어오고 전해질 균형을 맞추기 위해 칼륨이 세포 밖으로 나가게 된다. 반대로 알칼리혈증이 있는 경우는 칼륨이 세포 안으로 유입된다.

염화칼륨은 식염을 대체할 수 있다.

주의

칼륨은 물과 격한 반응을 나타내는데 여기서 수산화칼륨(KOH)과 수소 기체가 발생한다.

2 K (s) + 2 H₂O (l) → 2KOH (aq) + H₂ (g)

이러한 반응은 발열성이 있으며 이에 따른 온도는 발생하는 수소를 불붙게 할 만큼 강력하다. 다시 말해 주위에 산소도 존재하면 폭발할 수도 있다. 수산화칼륨은 피부를 극심한 화상을 입힐 정도로 강한 알칼리성이다.

칼륨은 산소와 반응하여 폭발성인 과산화칼륨을 생성할 수 있으므로 유의해야 한다.

참고자료

• 〈칼륨〉, 《네이버 지식백과》
• 〈칼륨〉, 《위키백과》
• 박준환 기자, 〈리튬 배터리의 강력한 라이벌 '칼륨 금속 배터리'〉, 《육도삼략365》, 2020-03-07

같이 보기

• 수산화칼륨
• 칼륨 배터리
• 니켈 카드뮴 배터리
• 알칼라인 전지
• 험프리 데이비

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