POTASSIUM.

POTASSIUM

Le potassium est l'élément chimique de numéro atomique 19, de symbole K (du latin kalium). C’est un métal alcalin mou, d’aspect blanc métallique, légèrement bleuté, que l’on trouve naturellement lié à d’autres éléments dans l’eau de mer et dans de nombreux minéraux. Il s’oxyde rapidement au contact de l’air et réagit violemment avec l’eau. Il ressemble chimiquement au sodium.

Histoire

Le potassium a été découvert en 1807 par Sir Humphry Davy, qui l’obtient par électrolyse d’hydroxyde de potassium ; c'est d'ailleurs le premier métal isolé par électrolyse. C'est aussi Davy qui forge le mot potassium, à partir du mot potasse (nom de l'hydroxyde de potassium à l'époque) et du suffixe -ium.

Le symbole K fait référence au latin kalium, lui-même forgé à partir de l’arabe al-qalyah — القَلْيَة (« cendre de plantes »). Potassium se dit aussi kalium en allemand et dans d’autres langues germaniques.

En analyse biologique

Le taux sanguin de potassium est appelé kaliémie. Dans le sang d'un adulte de poids moyen à jeun, il doit être compris entre 3,5 et 4,5 mmol/L

Caractéristiques

Caractéristiques chimiques

Perles de potassium dans de l'huile de paraffine.

Le potassium est un solide mou que l'on peut couper facilement à l’aide d’un couteau. Les surfaces fraîchement tranchées ont un aspect métallique. Il s’oxyde rapidement à l’air et doit donc être conservé dans l’huile.

Comme les autres métaux alcalins, l’eau se décompose à son contact avec formation de dihydrogène. Lorsqu’il est plongé dans l’eau, il réagit violemment⁷ en produisant du dihydrogène qui peut s’enflammer, voire détoner, en présence d’oxygène et d’une source de chaleur.

Ses sels émettent une couleur violette lorsqu’ils sont exposés à une flamme.

Caractéristiques physiques

• Allié au sodium le potassium constitue le mélange NaK utilisé comme caloporteur dans les échanges thermiques. Le mélange 78 % K et 22 % Na a une température de fusion de -12,6 et bout à 785 °C facilitant ainsi l'exploitation de la boucle fluide et prévenant le risque de gel.
• Coefficient de dilatation à 25 °C = 83 × 10⁻⁶ K⁻¹
• Évaluation de la masse volumique du solide: ρ = 890 /(1+0,000 083⋅(t-25))³ ; avec ρ en kg/m³ et t en °C
• Corrélation pour la masse volumique du liquide: ρ = 839,853 - 0,222 ⋅ t ; avec ρ en kg/m³ et t en °C ; applicable entre 100 et 600 °C
• Corrélation pour la valeur de Cp du solide: Cp = 0,709 16 + 0,002 076 6 ⋅ t ; avec Cp en kJ/ (kg⋅K) et t en °C ; applicable entre 0 et 60 °C
• Corrélation pour la valeur de Cp du liquide: Cp = 0,950 054 - 0,000 488 51 ⋅ t + 0,000 000 314 284 ⋅ t² ; avec Cp en kJ/(kg⋅K) et t en °C ; applicable entre 70 et 600 °C
• Corrélation pour la viscosité dynamique du liquide: μ = - 0,000 000 013 350 779 ⋅ t³ + 0,000 014 391 07 ⋅ t² - 0,005 149 607 1 ⋅ t + 0,8329122 ; avec μ en mkg/ (m⋅s) et t en °C ; applicable entre 70 et 600 °C

Isotopes

Article détaillé : Isotopes du potassium.

Article détaillé : Potassium 40.

Le potassium possède 24 isotopes connus de nombre de masse variant entre 32 et 55, ainsi que quatre isomères nucléaires.

Le potassium est présent dans la nature sous la forme de trois isotopes : ³⁹K (93,26 %) et ⁴¹K (6,73 %) tous deux stables, et un radioisotope à longue durée de vie (demi-vie de 1,248 milliard d'années), ⁴⁰K (0,01167 %). Les autres radioisotopes du potassium ont tous une demi-vie inférieure à une journée, et pour la plupart d'entre eux inférieure à une minute.

La masse atomique standard du potassium est de 39,0983(1) u

Le ⁴⁰K se désintègre :

• par émission β^- en ⁴⁰Ca (88,8 %)
• par capture électronique (11,2 %) et par émission β⁺ (très rare) en ⁴⁰Ar ;

La méthode de datation au potassium-argon (couple d’isotopes ⁴⁰K - ⁴⁰Ar) est communément utilisée pour la datation des roches.

L'ion potassium

Article détaillé : Ion potassium.

L'ion K⁺ est un gros cation (~140 pm) peu coordinant, et donc difficile à précipiter en solution aqueuse. Cependant le perchlorate de potassium KClO₄ est peu soluble dans l'eau (7 g/L à 0 °C, 20 g/L à 25 °C). Il forme des complexes avec les éthers couronnes, ce qui permet de solubiliser certains de ses sels en solution organique.

Gisements

Cet élément représente environ 2,58 % du poids total de la croûte terrestre, dont il est un des sept éléments les plus abondants.

Le potassium n’est pas un élément natif. Il est obtenu principalement à partir de l’hydroxyde de potassium par un procédé d'électrolyse en voie sèche fondue dont le principe a très peu changé depuis sa découverte par Sir Davy.

Des minéraux tels que la carnallite KMgCl₃·6H₂O, la langbeinite K₂Mg₂(SO₄)₃, la polyhalite K₂Ca₂Mg(SO₄)₄·2H₂O, et la sylvine KCl, que l’on trouve au fond des anciens lacs et mers sont des minerais importants de potassium, et permettent son exploitation économique.

Les principaux gisements de potassium sont situés en Saskatchewan, en Biélorussie, en Russie (voir la société Uralkali), au Nouveau-Mexique, en Californie et en Utah, ainsi qu'en Alsace et Allemagne.

Les océans constituent une réserve importante de potassium, mais sa concentration y est plus faible que celle du sodium (cf. eau de mer).

Synthèse du potassium

Le potassium est produit par réduction de chlorure de potassium (KCl) liquide par de la vapeur de sodium à 870 °C puis distillation.

Utilisation du potassium

Applications du potassium métallique

• Le potassium métallique est utilisé comme réactif dans de nombreuses réactions de chimie fine et de pharmacie, où on l’utilise en particulier pour ses propriétés de puissant réducteur (action similaire à celle du sodium métallique).
• L’alliage NaK est utilisé dans les transferts de chaleur : le potassium, comme le sodium, est un excellent conducteur de chaleur.

Composés du potassium

Le potassium est un élément essentiel pour la croissance des plantes ; on le trouve, sous forme de composés, dans la plupart des sols (voir Rôle du potassium dans la fertilisation).
Le potassium est vital pour le fonctionnement des cellules animales (voir Pompe sodium-potassium).

Ses principaux composés :

• l’hydroxyde de potassium plus connu sous le nom de potasse caustique ou potasse, et utilisé pour la fabrication de produits détergents ;
• le chlorure de potassium est utilisé comme substitut du sel alimentaire, en perfusion à l’hôpital pour compenser une carence à l’origine de troubles du rythme cardiaque. À trop fortes doses, il peut arrêter le cœur : c’est le cas dans les injections à but létal ;
• le nitrate de potassium est le salpêtre ou nitre, utilisé dans la poudre à canon ;
• le carbonate de potassium est utilisé dans la fabrication du verre et est le principal constituant de la potasse (fertilisant) ;
• dans les engrais NPK (azote-phosphore-potassium) ;
• autres sels importants de potassium :
  • le bromure de potassium,
  • l’iodure de potassium,
  • le phosphate de potassium,
  • le sulfate de potassium,
  • le bisulfite de potassium.

Aspects médicaux

Précautions

Le potassium sous forme de métal réagit violemment avec l’eau. Sa réaction avec l’eau est d’ailleurs bien plus forte que celle du sodium dans un milieu aqueux. Le potassium peut aussi réagir violemment avec son propre oxyde ; par exemple un choc sur une coulée de potassium oxydé peut provoquer une explosion. Ce métal doit donc être conservé à l’abri de l’eau et de toute atmosphère oxydante ou chargée d’humidité. Il est le plus souvent conservé immergé dans l’huile ou entouré de graisse. Dans les échantillons destinés aux expériences de laboratoire scolaires et universitaires il est fourni en flacons sous forme d’olives pour éviter – en cas de doute sur une étiquette endommagée – de le confondre avec le sodium.

Nutrition et médecine

Le potassium est un nutriment essentiel à l’alimentation humaine.

Le potassium sous sa forme de cation K⁺ est le principal ion intracellulaire de l’organisme. Il existe un gradient de concentration en faveur de la sortie de l’ion depuis le compartiment intracellulaire vers le compartiment extracellulaire. Ce gradient est entretenu par des pompes situées dans les membranes cellulaires, en particulier la pompe sodium-potassium est responsable de l’existence d’un potentiel de repos négatif présent dans toutes les cellules vivantes.

La concentration de K⁺ plasmatique (ou kaliémie) est très finement régulée, en particulier au niveau du rein, de sorte que ce taux demeure dans une fourchette précise de 3,5 à 5,5 mmol·l^-1. Les variations pathologiques de la kaliémie (hypokaliémie et surtout hyperkaliémie) sont des troubles sévères susceptibles d’entraîner des anomalies cardiaques fatales.

Une alimentation variée constitue le meilleur moyen d’avoir un bon taux de potassium dans l’organisme. L'apport quotidien chez l'adulte se situe normalement entre 60 et 120 mmol par jour.Des recherches ont mis en évidence qu’un régime riche en potassium peut réduire les risques d’hypertension.

On trouve de bonnes quantités de potassium dans :

• les pois secs (930 mg/100 g)
• les lentilles (837 mg/100 g)
• le pruneau (732 mg/100 g)
• les amandes (728 mg/100 g)
• les châtaignes (600 mg/100 g)
• le radis noir (554 mg/100 g)
• l’avocat (485 mg/100 g)
• les épinards (466 mg/100 g)
• la pomme de terre (379 mg/100 g)
• les tubercules en général
  • le céleri-rave
  • le navet
• la banane (358 mg/100 g)
• le piment (322 mg/100 g)
• le kiwi (270 mg/100 g)
• la carotte (320 mg/100 g)
• le melon (300 mg/100 g
• la tomate (280 mg/100 g)
• le potiron (223 mg/100 g)
• le jus d’orange (200 mg/100 g).

Radioactivité dans le corps humain due au ⁴⁰K

Article détaillé : Potassium 40.

Dose toxique

Le potassium peut avoir des effets quand il est respiré. L’inhalation peut irriter les yeux, le nez, la gorge, les poumons avec l’éternuement, la toux et la gorge endolorie. Des expositions plus élevées peuvent causer une accumulation de liquide dans les poumons, ceci pouvant causer la mort. Le contact avec la peau et l’œil peut causer des brûlures graves menant à des dommages permanents.

Quand les reins fonctionnent mal, il y a une accumulation de potassium ce qui peut entraîner une perturbation des battements du cœur. Au-delà de 25 mg/kg de masse corporelle, le potassium est toxique. En intraveineuse, la dose létale pour un humain est d'environ 30 à 35 mg/kg. Un surdosage en potassium provoque l’hyperkaliémie, alors qu’une carence en potassium provoque l’hypokaliémie. L’hyperkaliémie découle le plus souvent des insuffisances rénales très avancées (le rein n’excrète plus le potassium, et il va donc augmenter) alors qu'il est quasi impossible d’avoir une hyperkaliémie quand les reins fonctionnent normalement. On traite l’hyperkaliémie par des perfusions de bicarbonates (on alcalinise le sang), jusqu’aux cas les plus extrêmes où l’on effectue une hémodialyse (rein artificiel)… Un arrêt cardiaque peut survenir surtout si les changements de la kaliémie ont été brusques. Il existe des manifestations avant-coureuses : des troubles du rythme cardiaque, des troubles digestifs (hypokaliémie seulement), des douleurs musculaires (hypokaliémie seulement).