Pourquoi le potassium est-il radioactif ?
Le potassium naturel est un mélange de trois isotopes. Le potassium 39 représente environ 93,3 %, le potassium 41 environ 6,7 %, et le potassium 40 environ 0,012 %.
Cette dernière fraction est minuscule, et elle est radioactive, avec une demi-vie d’environ 1,25 milliard d’années. Cette demi-vie étant comparable à l’âge de la Terre, une part appréciable du potassium 40 présent à la formation de la planète subsiste encore — contrairement aux isotopes à vie plus courte, disparus depuis longtemps.
Le potassium 40 est inhabituel en ce qu’il se désintègre de deux façons différentes. Environ 89 % des désintégrations sont des émissions bêta-moins vers le calcium 40. Les 11 % restants environ sont des captures électroniques vers l’argon 40, accompagnées d’un rayon gamma à 1,46 MeV. Cette page affiche les rapports d’embranchement de ce type pour chaque nucléide instable, et le potassium 40 illustre clairement un nucléide empruntant deux voies à la fois.
Il en résulte que le potassium est la première source de radioactivité naturelle du corps humain. Un adulte contient environ 140 grammes de potassium, dont quelque 17 milligrammes de potassium 40, produisant de l’ordre de 4 000 à 5 000 désintégrations par seconde.
C’est inévitable et sans danger. L’organisme régule étroitement son potassium total, si bien qu’en consommer davantage n’augmente pas votre teneur en potassium 40 — l’excédent est excrété. La dose équivalente banane, parfois employée pour rendre les chiffres de radioactivité intuitifs, est un peu trompeuse pour cette raison précise.
Comment le potassium date-t-il l’évolution humaine ?
La branche par capture électronique transforme le potassium 40 en argon 40, et cette paire constitue une horloge remarquablement bonne.
L’argon est un gaz noble. Quand une roche volcanique est en fusion, tout argon qu’elle contient s’échappe : la roche se solidifie donc avec pratiquement zéro argon. À partir de cet instant, l’argon 40 s’accumule par désintégration du potassium 40 et se trouve piégé dans le réseau cristallin. Mesurez le rapport argon 40 sur potassium 40 et vous obtenez le temps écoulé depuis la dernière fusion de la roche.
La demi-vie d’un milliard d’années convient aux longues échelles, et le point de départ à zéro argon élimine la principale source d’incertitude de la plupart des datations radiométriques.
La datation potassium-argon et son successeur plus précis, la datation argon-argon, sont la raison pour laquelle la chronologie des origines humaines repose sur des chiffres fermes. Les fossiles d’hominidés d’Afrique de l’Est se trouvent typiquement entre des couches de cendres volcaniques, et dater la cendre encadre le fossile. L’âge de Lucy, des empreintes de Laetoli et des plus anciens outils de pierre repose sur cette méthode.
La même technique date les trapps du Deccan et les verres d’impact de Chicxulub, et a établi la chronologie de l’extinction de la fin du Crétacé.
L’argon 40 ainsi produit explique aussi que l’argon représente près de 1 % de l’atmosphère terrestre — bien plus que ce qu’on attendrait d’un gaz noble de cette masse. Presque tout l’argon atmosphérique est du potassium désintégré ayant fui de la croûte.
Comment lire la configuration électronique du potassium ?
L’état fondamental du potassium est [Ar] 4s¹ : un cœur d’argon complet de 18 électrons, plus un dans la sous-couche 4s. Électrons par couche : 2, 8, 8, 1.
Le potassium est l’endroit où l’ordre de remplissage du tableau devient visiblement non évident. Après le 3p⁶ de l’argon, la sous-couche suivante par nombre quantique principal serait la 3d. Le dix-neuvième électron va pourtant en 4s, parce qu’à ce stade la 4s est plus basse en énergie que la 3d.
C’est la règle de Madelung à l’œuvre : les sous-couches se remplissent par n + l croissant, et à égalité par n croissant. Pour la 4s, n + l = 4 + 0 = 4. Pour la 3d, n + l = 3 + 2 = 5. La 4s se remplit donc d’abord.
Le potassium et le calcium sont les deux éléments où cet ordre s’applique proprement. Dès que la 3d commence à se remplir au scandium, les énergies relatives basculent, et arrivé au fer la 3d se situe sous la 4s — d’où le fait que les métaux de transition perdent d’abord leurs électrons s en s’ionisant.
L’unique électron 4s faiblement retenu détermine la chimie du potassium. Sa première énergie d’ionisation, environ 419 kJ/mol, est inférieure aux 496 du sodium, l’électron étant une couche plus loin et mieux écranté ; c’est pourquoi le potassium réagit avec l’eau plus violemment que le sodium — assez pour que l’hydrogène produit s’enflamme généralement de lui-même.
Le terme spectroscopique est ²S₁/₂, identique à celui de tous les métaux alcalins.
Que fait le potassium dans l’organisme ?
Le potassium est le principal cation à l’intérieur des cellules, comme le sodium l’est à l’extérieur, et cet appariement est précisément le point.
La pompe sodium-potassium expulse trois Na⁺ et fait entrer deux K⁺ par ATP consommé, maintenant un gradient dans les deux sens à travers chaque membrane cellulaire. Ce gradient stocke une énergie que la cellule peut dépenser, et fixe le potentiel de repos d’environ −70 millivolts d’un neurone typique.
Le fonctionnement nerveux et musculaire en dépend directement. Un potentiel d’action, c’est du sodium qui entre puis du potassium qui sort pour rétablir l’état de repos. Le muscle cardiaque y est particulièrement sensible : une kaliémie hors d’une plage étroite perturbe le rythme, et un écart sévère dans un sens comme dans l’autre peut arrêter le cœur. C’est pourquoi le chlorure de potassium entre dans les protocoles d’injection létale, et pourquoi la supplémentation en potassium est maniée avec prudence en médecine.
Chez les plantes, le potassium est l’un des trois macronutriments — le K de l’engrais NPK. Il régule l’ouverture et la fermeture des stomates et active de nombreuses enzymes, et la potasse, extraite sous forme de chlorure de potassium, constitue une matière première mondialement échangée pour cette raison.
Le nom garde la trace de la source ancienne. La potasse s’obtenait en lessivant de la cendre de bois puis en évaporant la solution dans des pots de fer — littéralement cendre de pot — et elle fournissait le carbonate de potassium du savon et du verre bien avant l’isolement de l’élément. Davy obtint le potassium métallique en 1807 par électrolyse, quelques jours avant d’obtenir le sodium de la même manière.
D’où vient la potasse ?
La potasse — les sels de potassium des engrais, surtout du chlorure de potassium — est extraite d’anciens dépôts d’évaporites, et la géologie explique une structure de marché inhabituelle.
Ces dépôts se sont formés là où des mers peu profondes se sont asséchées. En s’évaporant, l’eau de mer précipite ses sels dissous dans l’ordre, du moins soluble au plus soluble : carbonates, puis gypse, puis halite, et enfin les sels de potassium et de magnésium, les plus solubles, qui cristallisent en dernier. Un gisement de potasse représente donc l’évaporation quasi complète d’une mer, ce qui constitue un événement géologique précis et peu fréquent.
Les réserves mondiales se concentrent en conséquence dans très peu d’endroits. La Saskatchewan au Canada détient de loin les plus importantes, issues des évaporites dévoniennes des Prairies. La Biélorussie et la Russie détiennent l’essentiel du reste, et l’Allemagne des gisements plus modestes exploités depuis le XIXᵉ siècle.
Cette concentration a des conséquences géopolitiques. Le potassium n’a aucun substitut en agriculture — les plantes en ont besoin et aucun autre élément ne remplit son rôle — et il ne se synthétise pas. L’approvisionnement en engrais d’une large part du monde dépend d’une poignée de régions minières.
Avant ces mines, le potassium venait de la cendre de bois, et la demande fut assez forte pour que sa production contribue notablement à la déforestation en Amérique du Nord coloniale.