بوتاسيوم

البوتاسيوم هو عنصر كيميائي رمزه K (من اللاتينية kalium عبر العربية القَلْيَة) وعدده الذرّي 19. ينتمي العنصر في الجدول الدوري إلى مجموعة الفلزّات القلوية، إذ هو ثالث عناصر المجموعة الأولى، كما يقع ضمن عناصر الدورة الرابعة. البوتاسيوم فلزٌّ لونه أبيض فضّي، وهو طري بالشكل الكافي بحيث يمكن قطعه بسكّين.^[1] يتفاعل البوتاسيوم بسرعة مع الأكسجين الموجود في الهواء الجوّي لتتشكّل عليه طبقة رقيقة من بيروكسيد البوتاسيوم الأبيض بعد ثوانٍ من التعرّض. عُزِلَ هذا العنصر الكيميائي لأوّل مرّة من البوتاس، وهو رماد يُستخرَج من بعض النباتات مثل أشنان القلي، وكان يسمّى بالعربية القَلْيَة.

كالسيوم → بوتاسيوم ← آرغون Na ↑ K ↓ Rb 19K
المظهر
رمادي فضي الخطوط الطيفية للبوتاسيوم
الخواص العامة
الاسم، العدد، الرمز	بوتاسيوم، 19، K
تصنيف العنصر	فلز قلوي
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي	1، 4، s
الكتلة الذرية	39.0983 غ·مول−1
توزيع إلكتروني	Ar]; 4s1]
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ	2, 8, 8, 1 (صورة)
الخواص الفيزيائية
الطور	صلب
الكثافة (عند درجة حرارة الغرفة)	0.862 غ·سم−3
كثافة السائل عند نقطة الانصهار	0.828 غ·سم−3
نقطة الانصهار	336.53 ك، 63.38 °س، 146.08 °ف
نقطة الغليان	1032 ك، 759 °س، 1398 °ف
نقطة ثلاثية	336.35 كلفن (63°س)،   كيلوباسكال
حرارة الانصهار	2.33 كيلوجول·مول−1
حرارة التبخر	76.9 كيلوجول·مول−1
السعة الحرارية (عند 25 °س)	29.6 جول·مول−1·كلفن−1
الخواص الذرية
أرقام الأكسدة	1 (أكاسيده قاعدية قوية)
الكهرسلبية	0.82 (مقياس باولنغ)
طاقات التأين	الأول: 418.8 كيلوجول·مول−1
	الثاني: 3052 كيلوجول·مول−1
	الثالث: 4420 كيلوجول·مول−1
نصف قطر ذري	227 بيكومتر
نصف قطر تساهمي	12±203 بيكومتر
نصف قطر فان دير فالس	275 بيكومتر
خواص أخرى
البنية البلورية	مكعب مركزي الجسم
المغناطيسية	مغناطيسية مسايرة
مقاومة كهربائية	72 نانوأوم·متر (20 °س)
الناقلية الحرارية	102.5 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
التمدد الحراري	83.3 ميكرومتر·متر−1·كلفن−1 (25 °س)
سرعة الصوت (سلك رفيع)	2000 متر/ثانية (20 °س)
معامل يونغ	3.53 غيغاباسكال
معامل القص	1.3 غيغاباسكال
معامل الحجم	3.1 غيغاباسكال
صلادة موس	0.4
صلادة برينل	0.363 ميغاباسكال
رقم CAS	7440-09-7
النظائر الأكثر ثباتاً
المقالة الرئيسية: نظائر البوتاسيوم
النظائر الوفرة الطبيعية عمر النصف نمط الاضمحلال طاقة الاضمحلال MeV ناتج الاضمحلال 39K 93.26% 39K هو نظير مستقر وله 20 نيوترون 40K 0.012% 1.248(3)×109 سنة β− 1.311 40Ca ε 1.505 40Ar β+ 1.505 40Ar 41K 6.73% 41K هو نظير مستقر وله 22 نيوترون

يحوي البوتاسيوم على إلكترون تكافؤ وحيد في الغلاف الإلكتروني الخارجي، والذي يمكن أن يتخلّى عنه بسهولة مشكلّاً أيون موجب؛ لذلك فالبوتاسيوم نشيط كيميائياً، ويشكّل العديد من الأملاح؛ وبسبب النشاط الكيميائي الكبير فلا يوجد هذا العنصر في الطبيعة بشكله العنصري الحرّ الطبيعي، إنّما فقط على شكل أملاح، فهو يوجد منحلّاً في ماء البحر بنسبة مقدارها 0.04% وزناً.^[2][3] كما يدخل البوتاسيوم في تركيب العديد من المعادن مثل الأورثوكلاز، وهو مكوّن شائع للغرانيت وعددٍ من الصخور النارية الأخرى.

يشبه البوتاسيوم في خواصّه الكيميائية عنصر الصوديوم الذي يسبقه في مجموعة الفلزّات القلوية بشكل كبير، وذلك من حيث طاقة التأيّن ونمط التفاعلات الكيميائية. فالبوتاسيوم العنصري يتفاعل على سبيل المثال بشكلٍ عنيف مع الماء أيضاً مولّداً كمّية كافية من الحرارة لإشعال غاز الهيدروجين الناتج عن التفاعل، ومحترقاً بلهبٍ ليلكي. هناك ثلاثة نظائر طبيعية للبوتاسيوم، منها النظير ⁴⁰K (بوتاسيوم-40) المشعّ، وبما أنّ البوتاسيوم يوجد طبيعياً في جسم الإنسان، لذلك فإنّ هناك كمّية من الإشعاع الطبيعي في الجسم ناتجة عن هذا العنصر.

يعدّ البوتاسيوم ذا أهمّية حيوية لجسم الإنسان على كافّة مستويات الخلايا في الجسم، فهو إلى جانب الصوديوم في مضخّة الصوديوم والبوتاسيوم، والتي تساعد في الحفاظ على جهد الراحة ونقل الإشارة وتنظيم أداء الخلية بشكل طبيعي.^[4]. يؤدّي اختلال المستويات الطبيعية للبوتاسيوم في الجسم، سواءً في العوز (النقص) أو الفرط، إلى حدوث عوارض مرضية متعدّدة، تتضمّن على سبيل المثال الاختلال في نَظْم ضربات القلب. توجد هناك العديد من المصادر الغذائية الطبيعية الحاوية على البوتاسيوم مثل الخضار والفواكه الطازجة.

للبوتاسيوم العديد من التطبيقات الصناعية، من بينها دخوله في صناعة المنظّفات والأسمدة.^[5]

التاريخ وأصل التسمية

عُرفَ البوتاس منذ القدم، وهو رمادٌ يستخرَج من بعض النباتات مثل أشنان القلي، وكان يسمّى في المنطقة العربية بعدّة أسماء منها القَلْيَة. إلّا أنّه لم يكن يعتقَد على الأغلب أنّها مادة مختلفة عن باقي أملاح معادن الصوديوم، إذ كان يُتعامَل على أنها مادة ملحية مثل باقي الأملاح.

كان غيورغ إرنست شتال من أوائل من حصل على براهين تجريبية دفعته للاقتراح بوجود اختلاف جوهري بين أملاح الصوديوم والبوتاسيوم سنة 1702؛^[6] ثمّ تمكّن هنري لويس دوهاميل دو مونسو من البرهنة على وجود ذلك الاختلاف سنة 1736.^[7] لم يُعرَف التركيب الكيميائي الدقيق لمركّبات البوتاسيوم والصوديوم، كما لم تُعرَف الحالة العنصرية لكليهما أيضاً، لذلك لم يُدرجْهُما أنطوان لافوازييه في قائمة العناصر الكيميائية التي نشرها سنة 1789.^[8][9] لفترةٍ طويلة، كان التطبيق الوحيد ذو الأهمّية للبوتاس ينحصر في إنتاج الزجاج وفي عمليات القَصْر (التبييض) وفي صناعة الصابون، وكذلك في تحضير البارود على هيئة نترات البوتاسيوم.^[10]

همفري ديفي.

عَزَل همفري ديفي فلزّ البوتاسيوم لأوّل مرّة سنة 1807 من مصهور البوتاس الكاوي (هيدروكسيد البوتاسيوم) بعمليّة تحليل كهربائي باستخدام عمود فلطائي، والذي كان حديث الاختراع حينئذٍ. يعدّ البوتاسيوم بذلك أوّل الفلزّات المعزولة بعملية تحليل كهربائي.^[11] في فترةٍ لاحقةٍ من ذات السنة تمكّن ديفي من عزل عنصر الصوديوم بنفس الأسلوبـ وذلك من الصودا الكاوية، ممّا برهن بشكل قطعي عملي أنّ الفلزّين متمايزَين عن بعضهما.^{[8][9][12][13]} أطلقَ ديفي على العنصر المُكتَشف حديثاً اسم بوتاسيوم، وذلك اشتقاقاً من لفظ البوتاس؛^[14] في حين أنّ الاسم اللاتيني للعنصر هو كاليوم Kalium، وتعود جذور تلك التسمية إلى الكلمة العربية «القَلْيَه» (رماد الأشنان)، والتي لها صلة مع كلمة قلوي. بناءً على الاسم اللاتيني مُنِحَ العنصر الرمزَ K. كان للكيميائي الألماني مارتن كلابروت دوراً في ذلك، إذ اكتشف سنة 1797 وجود البوتاس في معدَنَي الليوسيت والليبيدوليت، ثم تابع أبحاثه ليعلن اكتشاف عنصر جديد، واقترح إطلاق اسم «كالي kali» عليه.^[15] في سنة 1809 اقترح لودفيج فيلهلم غيلبرت على ديفي أن يسمّي العنصر الذي اكتشقه باسم كاليوم؛^[16] ثم قام يونس ياكوب بيرسيليوس سنة 1814 باعتماد التسمية الأخيرة عند تصنيفه للعناصر، وكان من أعطى ذلك العنصر الرمزَ الكيميائي K.^[17] لا تزال تسمية «كاليوم» مستخدَمة في الدول الناطقة باللغة الألمانية.^[18]

كان لاكتشاف يوستوس فون ليبيغ سنة 1840 أنّ البوتاسيوم مهمٌ حيوياً للنباتات،^[19] دوراً في زيادة الطلب على أملاح البوتاسيوم. أدّى اكتشاف خامات طبيعية من المعادن الحاوية على كلوريد البوتاسيوم سنة 1868 بالقرب من شتاسفورت في ألمانيا إلى زيادة إنتاج الأسمدة الحاوية على البوتاسيوم، وذلك على نطاق صناعي.^[20][21][22]

الأصل والوفرة الطبيعية

يدخل البوتاسيوم في تركيب الفلسبار.

يتشكّل البوتاسيوم في المستعرات العظمى من عملية التخليق النووي من الذرّات والعناصر الأخفّ، وخاصّة داخل المستعر الأعظم من النمط الثاني (II) عن طريق عملية حرق الأكسجين المتفجّرة.^[23] يتشكّل النظير ⁴⁰K أيضاً بواسطة عملية التقاط النيوترون البطيئة وكذلك من عملية احتراق النيون.^[24]

يحتلّ البوتاسيوم المرتبة العشرين من حيث وفرة العناصر الكيميائية في المجموعة الشمسية، والمرتبة السابعة عشرة من حيث وفرة العناصر وزناً في كوكب الأرض. يشكّل البوتاسيوم حوالي 2.6% وزناً من القشرة الأرضية، وهو بذلك يحتلّ المرتبة السابعة من حيث وفرة العناصر في تلك الطبقة.^[25] يبلغ تركيز البوتاسيوم في ماء البحر مقدار 0.39 غ/ل،^[2] وهو أقلّ بحوالي 27 مرّة من تركيز الصوديوم.^[26][27]

لا يوجد البوتاسيوم على شكله العنصري في الطبيعة بسبب نشاطه الكيميائي الكبير، فهو يتفاعل مع أكسجين الهواء ومع الماء؛^[28] يعدّ معدن الأرثوكلاز (فلسبار البوتاسيوم) من المعادن الشائعة المكوّنة للصخور. يحوي الغرانيت على سبيل المثال 5% من البوتاسيوم؛ كما يدخل البوتاسيوم في تركيب عددٍ آخر من المعادن مثل السيلفيت (KCl) والكارناليت (KCl·MgCl₂·6H₂O) والكاينيت (MgSO₄·KCl·3H₂O) واللانغباينيت (MgSO₄·K₂SO₄)، وهي معادن توجد في المتبخّرات الكبيرة المترسّبة في كافّة أنحاء العالم، وتتميّز بأن مؤلّفة من طبقات متباينة في الانحلالية، إذ تكون أقلّها انحلاليةً متوضّعة في الأسفل والأكثر انحلاليةً في الأعلى.^[27] تتشكّل ترسّبات النتر (نترات البوتاسيوم) من تفكّك المواد العضوية، خاصّة في الكهوف، وتحت شروط خاصة.^[29]

الإنتاج والتحضير

التنقيب والتعدين

سلفيت من المكسيك.

مونتي كالي، وهي كومة متراكمة من خام البوتاس المنقّب عنه لتركيزه. تتواجد في هيسن بألمانيا، وتتكون في معظمها من كلوريد الصوديوم.

إن وجود أملاح البوتاسيوم مثل الكارناليت، اللانغباينيت، البوليهاليت والسلفيت من المتبخّرات المترسّبة في قعور البحيرات القديمة وقيعان البحار،^[26] يجعل استخراجها من هذه البيئات مجدٍ تجارياً. يُنقّب عن المصدر الرئيسي للبوتاسيوم (بوتاس) في كندا وروسيا وكازاخستان وإسرائيل والولايات المتحدة والأردن؛ بالإضافة إلى مناطق أخرى في أنحاء العالم.^[30][31][32] كانت الطبقات الرسوبية التي تمّ التنقيب عنها في شتاسفورت بألمانيا أولى الاكتشافات على هذا الصعيد؛ إلّا أنّ هذه الطبقات تمتدّ من بريطانيا العظمى عبر ألمانيا إلى بولندا، وتتواجد في الزيخشتين وترسّبت في أواسط وأواخر العصر البرمي. تتواجد هذه الطبقات الرسوبية أيضاً كندا في الحوض الرسوبي "إلك بوينت غروب" وترسّبت في منتصف العصر الديفوني؛ إلّا أنّ أكبر الطبقات الرسوبية إطلاقا التي عثر عليها تقع بحوالي 1000 متر تحت سطح مقاطعة ساسكاتشوان الكندية؛ وتعد شركة البوتاس لساسكاتشوان (بوتاس كورب)، والتي تُعرف الآن باسم نيوترين، الشركةَ الرئيسية المنقبة عن البوتاس في ساسكاتشوان.^[33] يُستخدم الماء في البحر الميت بواسطة الأردن وإسرائيل مصدراً للبوتاس، في حين أنّ التركيز في المحيطات العادية منخفض كثيراً للإنتاج التجاري حسب الأسعار الحالية.^[31][32]

الاستخلاص الكيميائي

تُستخدَم العديد من الطرق في فصل أملاح البوتاسيوم عن المكوّنات التي تحتوي الصوديوم والمغنيزيوم؛ وأكثرُ هذه الطرق استخداماً هي الترسيب التجزيئي باستخدام اختلافات قابلية ذوبان الأملاح في درجات حرارة مختلفة. يُستخدم الفصل الكهروستاتيكي لخليط الملح كذلك في بعض المناجم، أمّا بقايا الصوديوم والمغنيزيوم الناتجَين فهي إمّا أن تُخزّن تحت الأرض أو فوقها على شكل كومة ركامية. ينتهي مآل معظم أملاح البوتاسيوم المنقب عنها بعد المعالجة على شكل ملح كلوريد البوتاسيوم. على نطاق الصناعات المعدنية يشار إلى كلوريد البوتاسيوم إما بالبوتاس أو موريات (كلوريد) البوتاس أو بالاختصار MOP.^[27]

يمكن أن يُستخلَص البوتاسيوم النقي عبر التحليل الكهربائي لهيدروكسيده في عملية لم تتغيّر إلّا قليلاً منذ أوّل استخدام لها بواسطة همفري ديفي سنة 1807. رغم أنّ عملية التحليل الكهربائي طُوِّرت واستُخدِمت على نطاق صناعي منذ العقد 1920، إلّا أنّ الطريقة الحرارية عبر مفاعلة الصوديوم مع كلوريد البوتاسيوم في عملية توازن كيميائي أصبحت الطريقة السائدة في خمسينات القرن العشرين؛ حيث يتمّ إنتاج سبيكة صوديوم-بوتاسيوم عبر تغيير وقت التفاعل وكمّية الصوديوم المستخدم في التفاعل. كما كانت تستخدم عملية غريسهايمر أيضاً لإنتاج البوتاسيوم، والتي تتضمن تفاعل فلوريد البوتاسيوم مع كربيد الكالسيوم.^[27][34]

${\displaystyle {\ce {Na + KCl -> NaCl + K}}}$ (الطريقة الحرارية)

${\displaystyle {\ce {2 KF + CaC2 -> 2 K + CaF2 + 2 C}}}$ (عملية غريسهايمر)

يبلغ ثمن معدن (فلز) البوتاسيوم بدرجة كاشف حوالي 22 دولار أمريكي للكيلوغرام سنة 2010 (سعر الجملة)؛في حين أنّ درجات النقاوة الأقل منه أرخص بشكل معتبر. يتميّز سوق البوتاسيوم بتقلّبه، لأن التخزين طويل المدى لهذا الفلزّ صعب، إذ يجب تخزينه في جوٍّ تحت غاز خامل وجافّ أو في زيت معدني لامائي لمنع تكوّن طبقة سطحية من فوق أكسيد البوتاسيوم، وهي ذات خواص متفجّرة وحسّاسة للضغط وتنفجر عند خدشها؛ كما أنّ الانفجار الناتج يُحدث حريقاً يصعُب إطفاؤه عادةً.^[35][36]

النظائر

يوجد هناك خمسٌ وعشرونَ نظيراً معروفاً للبوتاسيوم، ثلاثةٌ منها متوفّرة طبيعياً وهي بوتاسيوم-39 ³⁹K بنسبة 93.3%، وبوتاسيوم-40 ⁴⁰K بنسبة 0.0117% وبوتاسيوم-41 ⁴¹K بنسبة 6.7%. يعدّ نظير البوتاسيوم-40 من النظائر المشعّة، ويبلغ عمر النصف له مقدار 1.250×10⁹ سنة، وهو يضمحلّ إمّا إلى نظير الآرغون ⁴⁰Ar المستقرّ عبر عملية التقاط إلكترون أو انبعاث البوزيترون (11.2%) أو إلى نظير الكالسيوم ⁴⁰Ca المستقرّ عبر عملية اضمحلال بيتا (88.8%).^[37]

يستفاد من الاضمحلال الإشعاعي لنظير البوتاسيوم-40 في عملية تأريخ بنظائر بوتاسيوم-آرغون K-Ar، وذلك لتقدير عمر العيّنات الصخرية. وتعتمد الطريقة على افتراض أنّ الصخور لم تكن حاوية على أيّ آرغون عند نشوئها، وأنّ كلّ الآرغون الموجود له أصل إشعاعي من نظير البوتاسيوم؛ وعند قياس نسبة الآرغون إلى نسبة البوتاسيوم يمكن تقدير عمر الصخور. تعدّ معادن البيوتيت والمسكوفيت والهورنبلند والفلسبار من أمثلة أنواع الصخور التي يمكن تقدير عمرها بهذه الطريقة؛ بالإضافة إلى العيّنات الصخرية الكاملة البركانية والنارية في بعض الأحيان.^[37][38] في تطبيقاتٍ أخرى يُستفاد من نظائر البوتاسيوم في الوسم الإشعاعي في دراسات التجوية ودورة المغذيات، خاصّةً أنّ البوتاسيوم من المغذّيات الصغرى لعددٍ كبيرٍ من الكائنات الحيّة.^[39] من حيث الترتيب، يعدّ نظير البوتاسيوم-40 مثلاً أكبرَ مصدرٍ للإشعاع الطبيعي عند البشر والحيوانات، وذلك بشكل أكبر من الكربون-14 ¹⁴C. في جسم إنسان كتلته 70 كغ فإنّ هناك حوالي 4400 نواةٍ من ⁴⁰K تتضمحلّ كلّ ثانية.^[40] يبلغ النشاط الإشعاعي للبوتاسيوم الطبيعي مقدار 31 بيكريل لكلّ غرام.^[41]

الخواص الفيزيائية

اختبار اللهب للبوتاسيوم.

يوجد البوتاسيوم في الشروط القياسية من الضغط ودرجة الحرارة بالطور الصلب وذلك على شكل فلزّ له لون فضّي-رمادي، وله نقطة انصهار منخفضة نسبياً (63.5 °س). يعدّ البوتاسيوم ثاني أقلّ الفلزّات كثافةً بعد الليثيوم؛ وهو طري، بحيث يمكن قطعه بالسكين عند تطبيق ضغط خفيف نسبياً. عند التعرّض للهواء يفقد البوتاسيوم لمعانه ويميل إلى تشكيل لون رمادي.^[42] يعطي اختبار اللهب للبوتاسيوم ومركّباته لوناً ليليكياً، وتكون ذروة الانبعاث فيه ذات طول موجة مقدارها 766.5 نانومتر.^[43]

وُجدَ باستخدام أسلوب المحاكاة بالحاسوب أنّه يمكن لفلزّ البوتاسيوم أن يكون في الحالة الصلبة والحالة السائلة في الوقت نفسه عند تطبيق ضغوط مرتفعة للغاية.^[44]

الخواص الكيميائية

لذرّة البوتاسيوم المعتدلة 19 إلكتروناً، ويكون التوزيع الإلكتروني على الشكل Ar] 4s¹]، والذي يشير إلى أن الأغلفة الإلكترونية الداخلية مماثلة للتوزيع الإلكتروني المستقرّ للغاز النبيل المجاور، وهو عنصر الآرغون؛ كما يشير أيضاً إلى وجود إلكترون وحيد في الغلاف الإلكتروني الخارجي (غلاف التكافؤ). بسبب تلك العوامل المذكورة، وبالإضافة إلى أنّ طاقة التأيّن الأولى منخفضة نسبياً (مقدارها 418.8 كيلوجول/مول)، لذلك فإنّ ذرّة البوتاسيوم تميل في أغلب الأحيان إلى فقدان الإلكترون الخارجي وتشكيل أيون موجب أحادي الشحنة. يمكن لذرّة البوتاسيوم ضمن شروط خاصة أن تكتسب إلكتروناً وتشكّل أيونات قلويد سالبة الشحنة ⁻K (تعرف باسم كاليد أو بوتاسيد).^[45][46] بالمقابل، فإنّ طاقة التأيّن الثانية مرتفعة جدّاً (3052 كيلوجول/مول)، لأنّ إزالة إلكترونَين من الغلاف الإلكتروني للبوتاسيوم يزعزع الاستقرار في الغلاف الإلكتروني الثالث الداخلي الذي يؤمّنه مبدأ قاعدة الثمانيات، والموافق للتشكيل الإلكتروني لغاز الآرغون النبيل.^[46] بالتالي يعدّ البوتاسيوم عنصراً أحادي التكافؤ، ولا يميل إلى تشكيل مركّبات ذات حالة أكسدة أعلى من +1.^[45]

يصنّف عنصر البوتاسيوم كيميائياً ضمن مجموعة الفلزّات القلوية النشيطة كيميائياً، فهو يتفاعل بعنفٍ مع أكسجين الهواء مشكّلاً بيروكسيد البوتاسيوم؛ وبشكل مماثل مع الأكسجين في الماء، إذ يتفاعل أيضاً بعنف وبشكل ناشر للحرارة مشكّلاً هيدروكسيد البوتاسيوم بالإضافة إلى غاز الهيدروجين. يمكن للبوتاسيوم أن يتفاعل حتى بوجود آثار ضئيلة من الماء، لذلك يستخدم هو وسبيكة صوديوم-بوتاسيوم السائلة NaK ضمن المجفّفات القويّة للمذيبات العضوية قبل عملية التقطير.^[47] بسبب الحساسية الكبيرة للبوتاسيوم تجاه الماء والهواء، فإنّ التفاعلات مع العناصر الأخرى ممكنة فقط تحت ظروف خاملة مثل العمل تحت غاز الآرغون. لا يتفاعل البوتاسيوم مع أغلب هيدروكرونات مثل الزيوت المعدنية أو الكيروسين. ينحلّ البوتاسيوم فوراً في الأمونيا وبشكلٍ جيّدٍ جدّاً (حتّى 480 غرام لكلّ 1000 غرام من الأمونيا عند 0° س)؛ ويتفاوت لون المحلول حسب التركيز من الأزرق إلى الأصفر، وتمتلك تلك المحاليل موصلية كهربائية مرتفعة نسبياً. ففي محلولٍ نقيٍّ يتفاعل البوتاسيوم ببطءٍ مع الأمونيا ليشكّل أميد البوتاسيوم KNH₂، ويمكن تحفيز هذا التفاعل بوجود آثار من أملاح فلز انتقالي.^[48]

يعدّ البوتاسيوم من المختزلات القويّة (يوجد البوتاسيوم أسفل قائمة الجهود القياسية)، وهو قادرٌ على اختزال عددٍ من الأملاح إلى فلزّاتها الموافقة.^[49]

المركّبات الكيميائية

تمثيل لبنية مركّب فوق أكسيد البوتاسيوم KO₂ الصلبة.

تعدّ حالة الأكسدة +1 الأكثر شيوعاً في مركّبات البوتاسيوم الكيميائية، حيث أنّ كاتيونات البوتاسيوم ⁺K مستقرّة ويصعب جدّاً اختزالها إلى البوتاسيوم العنصري.^[45]

يتأكسد البوتاسيوم بسرعة أكبر من باقي الفلزّات، وغالباً ما يشكّل أكاسيداً متعدّدة كما هو الحال مع باقي الفلزّات القلوية ما عدا الليثيوم. هناك ثلاثة أكاسيد معروفة للبوتاسيوم، وهي أكسيد البوتاسيوم (K₂O) وبيروكسيد البوتاسيوم (K₂O₂) وفوق أكسيد البوتاسيوم (KO₂).^[50] يتشكّل بيروكسيد وفوق أكسيد (سوبر أكسيد) البوتاسيوم ضمن شروط خاصّة، وهي تحوي في تركيبها على رابطة أكسجين-أكسجين.^[48] تتفاعل أكاسيد البوتاسيوم بعنفٍ في الماء مشكّلةًً هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH).

يعدّ هيدروكسيد البوتاسيوم من القلويّات القويّة، وهو ينحلّ بشكل كبير جدّاً في الماء، حيث ينحلّ منه حتى 1.21 كغ لكلّ ليتر من الماء.^[51][52] يتفاعل KOH مع ثنائي أكسيد الكربون فوراً ليعطي كربونات البوتاسيوم K₂CO₃، وهو يستخدم لإزالة الآثار من غاز CO₂ في الجوّ.

على العموم تتّسم مركّبات البوتاسيوم بأنّها أيونية، وبسبب طاقة الإماهة المرتفعة لأيونات ⁺K فإنّ لمركّبات البوتاسيوم انحلالية ممتازة في الماء. إنّ الأنواع الكيميائية الرئيسية للبوتاسيوم في محاليله المائية هي المعقّدات المُمَيَّهَة ⁺K(H₂O)]_n]، حيث يمكن لـِ n أن تكون 6 أو 7.^[53]

أيون البوتاسيوم عديم اللون في محاليله المائية، ومن الصعب جدّاً ترسيبه. من الطرق الممكنة لترسيب البوتاسيوم التفاعل مثلاً مع رباعي فينيل بورات الصوديوم وحمض كلورو البلاتينيك وكوبالتي نتريت الصوديوم وذلك إلى رباعي فينيل بورات البوتاسيوم وسداسي كلوروبلاتينات البوتاسيوم وكوبالتي نتريت البوتاسيوم، على الترتيب.^[28]

الكشف عن البوتاسيوم

يمكن الكشف عن أيونات البوتاسيوم باستخدام كوبالتي نتريت الصوديوم في وجود حمض الخليك.

${\displaystyle {\ce {3K^+ + Na3[Co(NO2)6] -> K3[Co(NO2)6] + 3Na^+}}}$

K₃Co(NO₂)₆ (كوبالتي نتريت البوتاسيوم) هو راسب بلّوري أصفر، ولا يمكن القيام بهذا التفاعل في محلول قاعدي لأنّ Co(OH)₃ سيترسّب عوضاً عن كوبالتي نتريت البوتاسيوم. كما لا يمكن القيام بهذا التفاعل كذلك في وجود حمض معدني لأنّ H₃Co(NO₂)₆ سيتكوّن. توجد طريقة أخرى للكشف عن K⁺ بمعالجة ملح البوتاسيوم برباعي فينيل بورات الصوديوم.

${\displaystyle {\ce {3K^+ + Na[BPh4] -> K[BPh4] + 3Na^+}}}$

الدور الحيوي

البوتاسيوم هو العنصر الثامن أو التاسع الأكثر شيوعاً في الجسم البشري حسب الكتلة (0.2%)، وهذا يعني أنّ شخصاً بالغاً يزن 60 كغ يحتوي على حوالي 120 غ من البوتاسيوم.^[54] يحتوي الجسم على كمّيات متساوية تقريباً من البوتاسيوم والكبريت والكلور، ولا يفوقه شيوعاً سوى الكالسيوم والفوسفور (مع استثناء العناصر الأكثر شيوعاً CHON).^[55] تتواجد أيونات البوتاسيوم في مجموعة واسعة ومتنوعة من البروتينات والإنزيمات.^[56]

وظيفية كيميائية حيوية

تؤثّر مستويات البوتاسيوم على العديد من الوظائف الفيسيولوجية بما في ذلك^[57][58][59]:

• جهد الغشاء الخلوي في حالة الاسترخاء وانتقال جهود الحركة في الأنسجة العصبية، العضلية والقلبية. بسبب خصائصها الكهروستاتيكية والكيميائية، ولأنّ أيونات البوتاسيوم ⁺K أكبر من أيونات الصوديوم ⁺Na، لذلك يمكن لقنوات ومضخّات الأيونات في أغشية الخلية التفريق بينهما، وضخّ إحداهما بنشاط أو السماح بمرورها مع منع مرور الأخرى.^[60]

الاستتباب

يشير استتباب البوتاسيوم إلى الحفاظ على محتوى الجسم الكامل من البوتاسيوم بما في ذلك مستوى البوتاسيوم في البلازما، ونسبة تراكيز البوتاسيوم داخل الخلوية وخارج الخلوية في حدود ضيّقة، وذلك عند تناول الوجبات، والإفراز الخلوي الإجباري، والانتقالات بين الأحياز داخل الخلوية وخارج الخلوية.

المعدّلات في البلازما

يجب أن يبقى تركيز البوتاسيوم في البلازما عادةً بين 2.5 و5 ميلي مول (أو ميلي مكافئ) لكل لتر وذلك عبر عدة آليات. قد يصاحب المستويات التي تزيد عن هذا النطاق زيادةً في معدّل الوفاة لأسباب متنوعة؛^[61] وقد تتطور بعض أمراض القلب والكلى والرئتين بشكل أسرع إذا لم يُحافظ على مستويات البوتاسيوم في مصل الدم في النطاق العادي. توفّر وجبة متوسطة ذات محتوى 40-50 ميلي مول من البوتاسيوم للجسم قدراً يفوق القدر المتواجد منه في جميع البلازما (20-25 ميلي مول)، إلّا أنّ هذه الوجبة لا تزيد من تركيز البوتاسيوم في البلازما سوى بـ10% وذلك عبر الطرح الفوري والفعّال له بواسطة الآليات الكلوية.^[62]

نقص بوتاسيوم الدم هو اعتلال في بوتاسيوم البلازما ويمكن أن يكون قاتلاً إذا كان شديداً. تتفاوت الأسباب الشائعة لحدوثه بين فقدان البوتاسيوم عبر طرح السبيل الهضمي (تقيؤ، أو إسهال) أو عبر الطرح الكلوي (البوال).^[63] تشمل أعراض الاعتلال وَهَنًا في العضلات، والتغلّف المعوي، واضطرابات في تخطيط كهربائية القلب، وانخفاض استجابة ردّة الفعل؛ وفي الحالات الحادّة: شلل تنفسي، وقلاء واضطراب النظم القلبي.^[64]

آليات التحكّم

تتحكم أربع آليات أساسية بضبط مستوى البوتاسيوم في البلازما، لها أسماء وتصنيفات متعددة، وهي: 1) نظام تغذية راجعة سالبة تفاعلي، 2) نظام تغذية أمامية تفاعلي، 3) نظام تنبُّؤي أو يوماوي، 4) نظام نقل غشائي خلوي أو داخلي. تسمّى الآليات الثلاث الأولى إجمالاً، في بعض الأحيان، "نظام استتباب البوتاسيوم الخارجي"،^[65] وتسمّى الآليتان الأولَيَتان "نظام استتباب البوتاسيوم التفاعلي".

• نظام تغذية راجعة سالبة تفاعلي: يشير إلى النظام الذي يُحدِث طرحاً كلوياً للبوتاسيوم استجابةً لزيادة مستوياته في البلازما (تناول البوتاسيوم، أو انزياحه خارج الخلايا أو حقن وريدي).

نشاط مضخة الصوديوم والبوتاسيوم مثال على النقل النشط. يستخدم البروتينان الناقلان المدمجان في الغشاء الخلوي يسارا الـATP لنقل الصوديوم خارج الخلية عكس تدرّج التركيز، أمّا البروتينان اللذان على اليمين فيستخدمان نقل نشط ثانوي لنقل البوتاسيوم لداخل الخلية. هذه العملية تؤدّي إلى إعادة بناء الـATP.

• نظام تغذية أمامية تفاعلي: يشير إلى نظام غير مفهوم كلّياً يُحدِث طرحاً كلوياً للبوتاسيوم استجابةً لتناول البوتاسيوم وذلك قبل أي زيادة في مستوى البوتاسيوم بالبلازما. ربّما تبدأ هذه العملية بواسطة مستقبلات البوتاسيوم في الخلايا المعوية التي تكتشف البوتاسيوم الذي تمّ تناوله وتُحدث إشارات مبهمة واردة إلى الغدّة النخامية.
• نظام تنبُّؤي أو يوماوي: يزيد من الطرح الكلوي للبوتاسيوم أثناء ساعات تناول الوجبات (كمثال: النهار لدى البشر والليل لدى القوارض) بشكلٍ مستقلّ عن وجود أو كمّية أو انعدام تناول البوتاسيوم. ويتمّ بواسطة مذبذب يوماوي في النواة فوق التصالبة من الدماغ (الساعة المركزية)، وهذا يؤدّي إلى إفراز الكليتين (الساعة الملحقة) للبوتاسيوم بهذه النظم اليوماوي.
• نظام نقل الأيونات: يُنقَل البوتاسيوم عبر الغشاء الخلوي باستخدام آليتين، إحداهما نشطة (أو فعّالة)، وتضخّ الصوديوم خارج الغشاء الخلوي والبوتاسيوم داخله. والثانية هامدة (غير نشطة) تسمح بخروج البوتاسيوم من الخلية. تؤثّر كاتيونات البوتاسيوم والصوديوم على توزيع السائل بين الأحياز الداخل والخارج خلوية عبر القوى الأسموزية. يحدث انتقال البوتاسيوم والصوديوم عبر الغشاء الخلوي بواسطة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم.^[66] تستخدم هذه المضخّة الأيونية الـATP لضخّ ثلاثة أيونات صوديوم خارج الخلية وأيونَي بوتاسيوم داخلها، مكونةً تدرّجاً كهروكيميائياً وقوة دافعة كهربائية عبر غشاء الخلية. تعدّ قنوات البوتاسيوم عالية الانتقائية (وهي رباعية القسيمات) حاسمةً لفرط الاستقطاب داخل العصبونات بعد تحفيز (بدء) جهد فعلٍ ما على سبيل المثال. إنّ قناة البوتاسيوم KirBac3.1 المكتشفة حديثا هي خامس قناة بوتاسيوم (KvAP ،KirBac3.1 ،KirBac1.1 ،KcsA وMthK) تمّ تحديد بنيتها، وجميع قنوات البوتاسيوم هذه تعود لكائنات بدائية النوى.^[67]

التصفية الكلوية، إعادة الامتصاص والطرح

التعامل الكلوي مع البوتاسيوم ذو صلةٍ وثيقةٍ بالتعامل مع الصوديوم. فالبوتاسيوم هو كاتيون (أيون موجب) مهمّ داخل الخلايا الحيوانية [150 ميلي مول/ل (4.8 غ)]، في حين أنّ الصوديوم كاتيون مهمّ في السائل خارج الخلوي [150 ميلي مول/ل (3.345 غ)]. تتم تصفية حوالي 180 لتر من البلازما في الكليتين عبر الكبيبة وإلى النبيبات الكلوية كلّ يوم.^[68] ويتواجد في هذه التصفية حوالي 600غ من الصوديوم و33غ من البوتاسيوم. بما أنّ حوالي 1-10غ من الصوديوم و 1-4غ من البوتاسيوم فقط يمكن لها أن تُستبدَل بأيونات متحصّل عليها من الوجبات، فيجب أن تعيد التصفية الكلوية امتصاص الباقي بكفاءة من البلازما.

منظر علوي لنموذج جزيئي لقناة البوتاسيوم. تعبر أيونة البوتاسيوم البنفسجية غبر القناة.

يعاد امتصاص الصوديوم للحفاظ على الحجم خارج الخلوي، والضغط الأسموزي، وتركيز الصوديوم في مصل الدم ضمن حدود ضيّقة؛ ويعاد امتصاص البوتاسيوم للحفاظ على تركيزه في مصل الدم في حدود ضيّقة كذلك.^[69] تعمل مضخّات الصوديوم في الأنيببات الكلوية على إعادة امتصاص الصوديوم. بالمقابل، يحب الحفاظ على البوتاسيوم لأنّ كمّيته في بلازما الدم صغيرة جدّاً، ويقدّر مجموع كمّية البوتاسيوم في الخلايا بضعف كمّيتها في الدمّ بحوالي 30 مرّة تقريباً، وهذه الحالة ليست حرجة بالنسبة للبوتاسيوم، لأن انتقال البوتاسيوم يكون هامداً ^[70][71] على عكس تدفّق الصوديوم استجابةً لتوازن دونان ظاهري (لكن ليس حقيقي)،^[72] فلا يمكن لتركيز البوتاسيوم في البول أبداً أن ينخفض تحت تركيزه في مصل البلازما، باستثناء بعض الحالات التي يتم فيها طرح الماء بنشاط في نهاية العملية. يُطرح البوتاسيوم مرّتين ويعاد امتصاصه ثلاث مرّات قبل أن يصل البول إلى الأنيببات الجامعة.^[73] في تلك المرحلة، عادةً ما يكون للبول نفس تركيز البوتاسيوم في البلازما. في نهاية العملية يتم طرح البوتاسيوم مرة إضافية أخرى إن كانت مستوياته في البلازما عالية جداً.^[73][74]

عند عدم تناول البوتاسيوم، يتمّ طرح حوالي 200 مغ يومياً -لمدّة أسبوع تقريباً- حتى ينخفض تركيز البوتاسيوم في البلازما إلى مستوى عوزٍ خفيف يقدّر بـ 3.0-3.5 ميلي مول/لتر.^[75] إن استمرّ انعدام تناول البوتاسيوم، يستمرّ انخفاض تركيزه حتّى يصل درجة العوز الحادّ الذي يسبّب الوفاة في النهاية.^[76]

ينتقل البوتاسيوم بشكل هامد عبر المسامات في الغشاء الخلوي. حين تنتقل الأيونات عبر ناقلات الأيون (المضخّات) توجد بوابة في هذه المضخات على كلا جانبي الغشاء الخلوي، ولا يمكن أن تنفتح سوى بوابة واحدة كلّ مرة. نتيجةً لذلك، ينتقل حوالي 100 أيون كلّ ثانية. للقنوات الأيونية بوابة واحدة، ولا يمكن سوى لنوع واحد من الأيونات التدفق عبرها بمعدّل 10 مليون إلى 100 مليون أيون في الثانية.^[77] إنّ الكالسيوم مطلوب لفتح المسامات، ^[78] رغم أنه يمكن أن يعمل بشكل معاكس في إغلاق مسام واحد على الأقل.^[79] تحاكي مجموعات كربونيل الأحماض الأمينية داخل المسام حلمأة الماء التي تحدث في محلول الماء ^[80] عبر طبيعة الشحنات الكهروستاتيكية الموجودة على أربع مجموعات كربونيل داخل المسام.^[81]

التغذية

التوصيات الغذائية

تحدّد الأكاديمية الوطنية للطب الخاصّة بالولايات المتحدة، بالنيابة عن كلّ من الولايات المتّحدة وكندا، متوسّط الاحتياجات المقدّرة (EARs) والمقنّنات الغذائية الموصى بها (RDAs) أو التناولات الكافية (AIs) حين لا تكون هنالك معلومات كافية لتحديد متوسّط الاحتياجات والمسموحات الموصى بها. يُشار إجمالاً إلى متوسّط الاحتياجات والمسموحات الموصى بها والتناولات الكافية ومعدّلات التناول القصوى (ULs) بالكمّية الغذائية المرجعية.

للذكور والإناث الأقل من 9 سنين، تبلغ التناولات الكافية من البوتاسيوم مقدار: 400 مغ للرضع من عمر 0-6 أشهر؛ 680 مغ للرضع من عمر 7-12 شهر؛ 2000 مغ للأطفال من عمر 1-3 سنين؛ و2300 مغ للأطفال من عمر 4-8 سنين.

للذكور البالغين 9 سنين فما فوق، تبلغ التناولات الكافية من البوتاسيوم مقدار: 2500 مغ للأطفال من عمر 9-13 سنة؛ 3000 مغ للمراهقين من عمر 14-18 سنة؛ و3400 للذين أعمارهم من 19 سنة أو أكبر.

للإناث البالغات 9 سنين فما فوق، تبلغ التناولات الكافية من البوتاسيوم مقدار: 2300 مغ للفتيات من عمر 9-18 سنة؛ 2600 مغ للنساء البالغات أعمارهن 19 سنة أو أكبر.

للنساء الحوامل والمرضعات، تبلغ التناولات الكافية من البوتاسيوم مقدار: 2600 مغ للنساء الحوامل من عمر 14-18 سنة؛ و2900 مغ للحوامل اللاتي أعمارهن 19 سنة أو أكبر؛ أمّا بالنسبة للمرضعات فـ2500 ملغ للمرضعات من عمر 14-18 سنة؛ و2800 مغ للمرضعات اللاتي أعمارهن 19 سنة أو أكبر. بالنسبة للسلامة، تحدّد الأكاديمية الوطنية للطبّ كذلك معدلات التناول الأقصى المقبولة (ULs) للفيتامينات والمعادن، إلا أنّه بالنسبة للبوتاسيوم لم تكن الدلائل كافية، لذلك لم يتمّ تحديد معدّل تناول أقصى له.^[82][83]

معظم الأمركيين لا يتناولون سوى نصف الكمية يومياً؛^[84] ونفس الأمر في الاتحاد الأوروبي، وبشكل خاصّ في ألمانيا وإيطاليا، حيث عدم تناول الكفاية من البوتاسيوم أمر شائع نسبياً.^[85] توصي هيئة الخدمات الصحّية الوطنية الخاصّة بالمملكة المتحدة بتناول كمّيات مماثلة، وتقول أنّ البالغين يحتاجون 3500 مغ يومياً، وأنّ الكمّيات الفائضة قد تسبّب مشاكل صحية مثل آلام المعدة والإسهال.^[86]

المصادر الغذائية ونقص التناول

يتوفّر البوتاسيوم في جميع الفواكه والخضار واللحم والسمك. من الأطعمة التي تحتوي على تراكيز عالية من البوتاسيوم كل من: اليام، البقدونس وكذلك المشمش المجفّف، والحليب والشوكولاتة، وجميع المكسرات (وبشكل خاص اللوز والفستق)، والبطاطس، وبتيلات الخيزران، والموز، والأفوكادو، وماء جوز الهند، وفول الصويا والنخالة.^[87] تدرج وزارة الزراعة الخاصّة بالولايات المتحدة الأطعمة التالية أيضاً: معجون الطماطم، وعصير البرتقال، والشمندر الأحمر، والفاصوليا، والبطاطس، وموز الجنة، الموز، والمشمش وعدّة مصادر غذائية أخرى للبوتاسيوم، مرتّبةً تنازلياً تبعاً لمحتواها من الكالسيوم. إنّ المقدار اليومي الكافي من البوتاسيوم يمكن تحصيله من 5 حبّات موز الجنة أو 11 حبّة موز.^[88]

إنّ الحمية الغذائية التي فيها كمّية منخفضة من البوتاسيوم قد تسبّب ارتفاع ضغط الدم ^[89] ونقص بوتاسيوم الدم.

يوضّح الجدول التالي كمّيات البوتاسيوم في الأطعمة الغنية به بالميلي غرام لكل 100 غ:

مكمّلات غذائية

عادةً ما تُستخدم مكمّلات البوتاسيوم مقترنةً مع مدرّات البول التي تمنع إعادة امتصاص الصوديوم والماء عكس اتجاهه من الأنيبيب البعيد (مثل الثيازيد ومدرات البول العروية)، لأن ذلك يعزّز زيادة طرح الأنيبيب البعيد للبوتاسيوم، والذي تكون نتيجته زيادةٌ في طرح البوتاسيوم. تتوفّر مجموعة متنوّعة من مكمّلات البوتاسيوم، منها التي تستلزم وصفات طبية ومنها التي لا تستلزم ذلك. يمكن أن يُذاب كلوريد البوتاسيوم في الماء، لكنّ المذاق المالح/ المرّ يجعل المكمّلات السائلة غير مستساغة.^[91] يتراوح مجال الجرعات الاعتيادي بين 10 ميلي مول (400 ملغ) إلى 20 ميلي مول (800 ملغ). البوتاسيوم متوفّر كذلك على شكل أقراص أو كبسولات والتي أُنشِئت كي تسمح للبوتاسيوم أن يترشّح ببطء خارج المطرس، لأن التراكيز العالية من أيونات البوتاسيوم التي تظهر مجاورة لقرص صلب يمكن أن تضرّ وتجرح الغشاء المخاطي للمعدة أو الأمعاء.

لأن الكليتين هما موقع طرح البوتاسيوم، فالأفراد الذين يعانون من اختلال وظائف الكلى عرضة لخطر الإصابة بفرط بوتاسيوم الدم إن لم يتم تنظيم وتحديد تناول البوتاسيوم عبر الوجبات والمكمّلات. خَلُصَ تحليل تلوي إلى أنّه يصاحب الزيادةً في تناول البوتاسيوم اليومي بقدر 1640 ملغ انخفاض بنسبة 21% في خطر التعرض لسكتة.^[92] لذلك فإنّه يمكن أن يكون كلوريد البوتاسيوم وبيكربونات البوتاسيوم مفيدين للتحكّم في ارتفاع ضغط الدم الخفيف.^[93] في سنة 2016، جاء البوتاسيوم في المرتبة 33 في قائمة الأدوية الموصوفة في الولايات المتحدة بحوالي 22 مليون وصفة.^[94]

التعرف عليه بواسطة براعم التذوق

يمكن التعرّف على البوتاسيوم بالتذوّق لأنه يُحدِث ثلاثةً من خمسة أنواع من أحاسيس التذوق، وذلك حسب التركيز. لمحاليل أيونات البوتاسيوم المخففة مذاق حلو، وهذا يسمح بوضع تراكيز متوسطة منه في الحليب والعصائر؛ أمّا التراكيز العالية فتتزايد مرارتها/قلويتها بتزايد التركيز، وتصبح في النهاية مالحة المذاق. تجعل توليفة المرارة والملوحة التي تمتاز بها محاليل البوتاسيوم عالية التركيز مكملاته السائلة ذات مذاق غير مستساغ.^[91][95]

الاستخدامات التجارية

التسميد

سماد كبريتات البوتاسيوم/كبريتات المغنيزيوم.

أيونات البوتاسيوم مكوّنٌ أساسيٌّ في غذاء النبات، وتوجد في معظم أنواع التربة.^[5] وتُستخدم سماداً في الزراعة، والبستنة، والزراعة في الماء على شكل كلوريد (KCl)، كبريتات (K₂SO₄)، نترات (KNO₃)، وهي تمثل حصة البوتاسيوم "K" في المحتوى "NPK" (نسبةً إلى عناصر النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم)، الذي يعرض على ملصقات السماد. تستهلك الأسمدة الزراعية 95% من الإنتاج الكيميائي العالمي للبوتاسيوم، وحوالي 90% من هذا البوتاسيوم يُوفَّر على شكل كلوريد البوتاسيوم.^[5] يتراوح محتوى البوتاسيوم في النبات بين 0.5% إلى 2% من وزن المحاصيل المحصودة ومتعارف على الرمز له بكمية K₂O. تعتمد الزراعة الحديثة وفيرة الغلة على الأسمدة لاستبدال البوتاسيوم الضائع في الحصاد. معظم الأسمدة الزراعية تحتوي على كلوريد البوتاسيوم، في حين أنّ كبريتات البوتاسيوم تُستخدم لتسميد المحاصيل الحساسة للكلوريد أو المحاصيل التي تحتاج إلى كمّية كبيرة من الكبريتات. تُنتج الكبريتات في معظم الحالات بتفكيك المعدنيين كاينيت (MgSO₄·KCl·3H₂O) ولانجباينيت (MgSO₄·K₂SO₄). هناك أسمدة معدودة فقط تحتوي على نترات البوتاسيوم.^[96] كان حوالي 93% من الإنتاج العالمي للبوتاسيوم في 2005 قد استُهلك في صناعة الأسمدة. فضلاً عن ذلك، يمكن للبوتاسيوم أن يلعب دورا مفتاحيا في دورة المغذيات عبر التحكّم في المخلّفات النباتية.^[97]

الاستخدام الطبي

يستخدم البوتاسيوم على شكل كلوريد البوتاسيوم دواءاً لعلاج ومنع نقص بوتاسيوم الدم،^[98] الذي يمكن أن يحدث نتيجة التقيؤ أو الإسهال أو بعض الأدوية المعينة.^[99] يُعطى البوتاسيوم عبر حقن بطيء داخل الوريد أو عبر الفم.^[100]

مضافات غذائية

طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم (KNaC₄H₄O₆ هي المكوّن الرئيسي لذرور الخبز، وتُستخدم كذلك في تفضيض المرايا. برومات البوتاسيوم (KBrO₃) مؤكسد قوي (E924)، ويُستخدم لتحسين قوة عجينة الخبز وطول الأرز. يُستخدم بيكبريتيت البوتاسيوم (KHSO₃) حافظاً للأطعمة، وعلى سبيل المثال في صناعة النبيذ والجعة (لكن ليس في اللحوم)، ويُستخدم كذلك في تبييض المنسوجات، وفي دباغة الجلود.^[101][102]

الصناعة

أشهر مركّبات البوتاسيوم الكيميائية هي: هيدروكسيد البوتاسيوم، كربونات البوتاسيوم، كبريتات البوتاسيوم وكلوريد البوتاسيوم، وتُنتَج ملايين الأطنان من هذه المركّبات سنوياً.

هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) قاعدة قوية تُستخدم في الصناعة لتعديل الأحماض القوية والضعيفة، وللتحكّم في pH الوسط وتصنيع أملاح البوتاسيوم. تُستخدم كذلك في تصبين الدهون والزيوت، المنظفات الصناعية، وفي تفاعلات الحلمأة كتلك الخاصّة بالأسترات.^[103][104] يُتحصَّل على نترات البوتاسيوم (KNO₃) أو ملح البارود من مصادرٍ طبيعيةٍ مثل ذرق الطائر والمتبخرات؛ أو من مصادر صناعيةٍ عبر عملية هابر-بوش، وهو المؤكسد في البارود الأسود وسمادٌ زراعيٌ مهمّ. يُستخدم سيانيد البوتاسيوم (KCN) في إذابة النحاس والمعادن الثمينة وبشكل خاص الفضة والذهب عبر تشكيل معقّدات؛ وتطبيقاته تشمل استخدامه في تعدين الذهب، الطلي الكهربائي والتشكيل بالترسيب الكهربائي لهذه المعادن؛ كما يُستخدم في الاصطناع العضوي لتكوين النتريل. يُستخدم كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃) في صناعة الزجاج والصابون وأنابيب التلفاز الملونة والمصابيح الفلورية وفي أصبغة الأنسجة والمساحيق الملونة.^[105] بيرمنغنات البوتاسيوم (KMnO₄) هي مادّة مؤكسدة، مبيِّضة، منقّية وتُستخدم لإنتاج السكارين. يُضاف كلورات البوتاسيوم (KClO₃) إلى أعواد الكبريت والمتفجرات. بروميد البوتاسيوم (KBr) وكان يُستخدم سابقاً في التخدير وفي التصوير الفوتوغرافي.^[5]

كرومات البوتاسيوم (K₂CrO₄) ويُستخدم في الحبر، والأصبغة، واللطخات (لون أحمر ناصع مصفر نوعا ما)، في المتفجرات والألعاب النارية، وفي دباغة الجلود، وفي ورق الذباب وأعواد ثقاب الأمان،^[106] لكن كل هذه الاستخدامات هي بفضل كيميائية أيون الكرومات بدل أيون البوتاسيوم.^[107]

استخدامات خاصة

توجد الآلاف من الاستخدامات لمختلف مركّبات البوتاسيوم. أحد الأمثلة هو فوق أكسيد البوتاسيوم KO₂، وهي مادّة برتقالية صلبة تعمل مصدراً محمولاً للأكسجين وممتص لثنائي أكسيد الكربون. يُستخدم بشكل واسع في أنظمة التهوية في المناجم والغواصات والمركبات الفضائية لأنّه يشغل حجماً أقلّ من الأكسجين الغازي.^[108][109]

${\displaystyle {\ce {4 KO2 + 2 CO2 -> 2 K2CO3 + 3 O2}}}$

مثالٌ آخر هو كوبالتي نتريت البوتاسيوم K₃[Co(NO₂)₆] والذي يُستخدم خضاباً تحت اسم أوريولين أو أصفر الكوبالت.^[110]

يمكن لنظائر البوتاسيوم المستقرّة أن تبرّد بالليزر كي تستخدم لسبر مشاكل أساسية وتكنولوجية في ميكانيكا الكم؛ إذ يملك النظيران البوزونيان رنين فشباخ مناسبٍ للقيام بدراسات تتطلّب تآثرات قابلة للتوليف، في حين أن النظير ⁴⁰K هو أحد فرموينين اثنين فقط مستقرّين من بين الفلزّات القلوية.^[111]

استخدامات مخبرية

سبيكة الصوديوم والبوتاسيوم (NaK) هي مائع يُستخدم وسطاً ناقلاً للحرارة ومجفّفاً لإنتاج مذيبات جافة خالية من الهواء. يمكن أن يُستخدم كذلك في التقطير التفاعلي.^[112] السبيكة الثلاثية 12% صوديوم، 47% بوتاسيوم و41% سيزيوم لها أخفض نقطة انصهار من أي سبيكة آخرى وهي -78 درجة مئوية.^[42]

يُستخدم البوتاسيوم الفلزّي في العديد من أنواع مقاييس المغناطيسية.^[113]

احتياطات الأمان

بوتاسيوم
المخاطر
رمز الخطر وفق GHS
وصف الخطر وفق GHS	خطر
بيانات الخطر وفق GHS	H260, H314
بيانات وقائية وفق GHS	P223, P231+232, P280, P305+351+338, P370+378, P422[114]
NFPA 704	3 3 2
في حال عدم ورود غير ذلك فإن البيانات الواردة أعلاه معطاة بالحالة القياسية (عند 25 °س و 100 كيلوباسكال)

يتفاعل فلز البوتاسيوم بشدّة مع الماء منتجاً هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) وغاز الهيدروجين.

${\displaystyle {\ce {2 K (s) + 2H2O (l) -> 2 KOH (aq) + H2 (g) (^)}}}$

تشغيل الوسائط

يعطي تفاعل فلزّ البوتاسيوم مع الماء غاز الهيدروجين مع بخار البوتاسيوم، وحريق ذو لهب وردي أو ليلكي. كما يتشكّل هيدروكسيد البوتاسيوم شديد القلوية في المحلول.

هذا التفاعل ناشرٌ للحرارة ويُطلق حرارة كافية لإشعال الهيدروجين الناتج عند تواجد الأكسجين. يميل البوتاسيوم إلى الانفجار عند التلامس مع الماء ومن دون وجود الأكسجين، ويسمّى ذلك الانفجار بانفجار كولوم والذي يمكن أن يرش المشاهدين بهيدروكسيد البوتاسيوم، وهو قلوي قويّ يدمّر الأنسجة الحيّة ويسبّب حروقاً جلدية. يلتهب البوتاسيوم المبشور بلطف في درجة حرارة الغرفة. يطفو الكالسيوم المحترق على الماء بسبب كثافته المنخفضة (0.89 غ/سم³)، ممّا يُعرّضه لأكسجين الجو. ينبغي استخدام عوامل إخماد الحرائق خاصة لإطقاء حرائق البوتاسيوم، لأن العديد منها، بما في ذلك الماء، غير فعّالة أو تزيد الأمر سوءاً. يستخدم لذلك الغرض كل من النيتروجين، والأرغون، أو المساحيق الصلبة مثل كلوريد الصوديوم (ملح المائدة)، أو كربونات الصوديوم (رماد الصودا) أو ثنائي أكسيد السيليكون (الرمل)، وهي فعّالة إن كانت جافّة. بعض مساحيق الإطفاء الجافّة من الصنف D المصمّمة لحرائق الفلزّات فعّالة كذلك، حيث تحرِم هذه العوامل الحريق من الأكسجين وتقوم بتبريد فلزّ البوتاسيوم.^[115]

يتفاعل البوتاسيوم بشدّة مع الهالوجينات وينفجر عند تواجد البروم، ويتفاعل بالانفجار كذلك مع حمض الكبريتيك. أثناء الاحتراق، يشكّل البوتاسيوم البيروكسيدات وفوق الأكسيدات. يمكن أن تتفاعل هذه البيروكسيدات بشدّة مع المركّبات العضوية مثل الزيوت. يمكن أن تتفاعل كلّ من البيروكسيدات وفوق الأكاسيد انفجاريا مع البوتاسيوم الفلزّي.^[116]

عادةً ما يُخزَّن البوتاسيوم تحت زيت معدني لامائي أو الكيروسين، لأنّه يتفاعل مع بخار الماء في الجو. على العكس من الليثيوم والصوديوم، فلا يجب أن يُخزّن البوتاسيوم تحت الزيت لمدّة تفوق ستّة أشهر، إلّا إذا كان في جوٍّ خالٍ من الأكسجين أو في فراغ. إذ يمكن بعد التخزين المطوّل وبتماسٍ مع أكسجين الهواء في الجوّ أن تتشكّل البيروكسيدات الخطيرة الحساسة للصدمات على الفلز وتحت غطاء الحاوية، ويمكنها الانفجار عند فتحها.^[117]

بسبب النشاط الكيميائي الكبير لفلزّ البوتاسيوم فيجب أن يتم التعامل معه بحذرٍ شديد، مع حمايةٍ كاملةٍ للجلد والعينين، ومن الأفضل تواجد حاجز مقاوم للانفجار بين المستخدم والفلزّ. إن ابتلاع كمّيات كبيرة من مركّبات البوتاسيوم يمكن أن يؤدّي إلى الإصابة بفرط بوتاسيوم الدم، الذي يؤثّر بشدّة على نظام جهاز الدوران.^[118][119] يستُخدم كلوريد البوتاسيوم في الولايات المتحدة في الإعدامات بالحقن القاتلة.^[118]

انظر أيضاً

• فلزات قلوية

المراجع

قراءة موسعة

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة علم طبيعة الأرض
• موسوعة العناصر الكيميائية
• موسوعة الفيزياء
• موسوعة الكيمياء
• موسوعة طب
• موسوعة علوم