El nitrat de potassi, també conegut com a salnitre o salpetre, és un compost químic inorgànic de fórmula KNO3, una sal constituïda per anions nitrat NO3- i cations potassi K+ enllaçats mitjançant enllaç iònic.
Fins a la fixació artificial del nitrogen amb el mètode Haber el salnitre cristal·litzat de certes coves era la principal font de nitrogen. La seva principal aplicació històrica és com a component principal de la pólvora. Mesclat amb altres nitrats s'empra en fertilitzants, amb contingut de nitrogen i potassi amb la fórmula de riquesa 13-0-44 que indica 13%, 0%, i 44% de nitrogen, fòsfor i potassi en pes, respectivament. En certs aquaris es fa servir com a font de nitrat i potassi per a les plantes. S'ha usat, en farmàcia, com a diürètic. Es fa servir també en la conservació de les carns i en xarcuteria. És l'additiu E252. Reacciona i produeix nitrits i monòxid de nitrogen que transforma la mioglobina vermella en la color rosada típica del pernil i del salami.
Història El mot «salnitre» prové del llatí sal nitrum, i aquest, del grec νίτρον nítron, d'origen egipci, amb el significat de nitrat de potassi. El mot de «salpetre» prové del llatí sal petrae, que significa 'sal de pedra' o 'sal de Petra'. Petra és una zona de Jordània on grans dipòsits dels munts de fems de camell van proporcionar una font per a la producció de salnitre. esquerra|miniatura|Eflorescència de nitrat de potassi La història del nitrat de potassi va lligat al de la pólvora. La pólvora negra és una barreja de salnitre, carbó vegetal, i sofre, en proporcions d'aproximadament un 75% de salnitre, un 15% de carbó vegetal i un 10% de sofre. Es desconeix la data exacta de la invenció de la pólvora, però generalment es creu que fou al voltant de l'any 800 a la Xina o possiblement al món àrab, on els alquimistes la descobriren casualment. El nitrat de potassi utilitzat en la pólvora s'obtenia a partir de dipòsits naturals. Les petites quantitats formades com a dipòsits d'eflorescència en parets de pedra humides es van identificar ja l'any 2000 aC. en escrits sumeris. L'ús de pólvora negra en armes apareix en els escrits xinesos que daten del . El filòsof, teòleg i científic anglès Roger Bacon (1220-1292) dugué a terme amplis estudis sobre la pólvora negra i sovint se li atribueix la introducció a Europa dels seus usos al . miniatura|Pólvora negra A mesura que s'expandí l'ús de la pólvora negra amb el desenvolupament d'armes, la demanda de salnitre superà l'oferta, fet que s'agreujava en èpoques de guerra. Per satisfer la demanda de salnitre, es desenvolupà una indústria per produir-ne grans quantitats. El mètode depenia de la riquesa en nitrat de potassi dels dipòsits d'on s'obtenia la matèria primera. El procés de producció de salpetre implicava barrejar la brutícia amb cendres per mantenir el pH neutre i després refinar i separar el salnitre.miniatura|Refinament de nitrat de potassi A mesura que augmentava la demanda de salnitre, es crearen grans àrees de processament de salnitres. La producció a gran escala de salnitre implica la creació de llits de nitre, que eren caixes en què s'amuntegaven fems i matèria orgànica vegetal. Aquests llocs requerien l'addició de calç o altres materials bàsics per neutralitzar els àcids que s'havien format. Els llits eren tractats amb aigua per mantenir-los humits, però calia protegir-los dels elements i evitar que els nitrats es rentessin. El procés de reg sovint utilitzava orina o aigua de fems des de la neteja de corrals i estables fins a fomentar la producció. Els llits es removien sovint i la incorporació de material vegetal augmentava la matèria orgànica i la porositat de la pila per assegurar-se que els residus tinguessin una exposició adequada a l'oxigen. Els llits de nitre eren similars al compostatge.
Després d'un període de diversos mesos o anys, els residus tractats eren lixiviats, i el lixiviat es processava encara més per augmentar la producció de nitrat de potassi en lloc d'altres nitrats com el de magnesi o el de sodi. Aquest pas implicava el tractament amb cendres, que eren una font de potassa (carbonat de potassi). El darrer pas implicava separar el salnitre de la solució d'altres sals. Perquè el nitrat de potassi és molt més soluble que la sal comuna o clorur de sodi en aigua calenta, la solució es bullia i el nitrat de potassi es concentrava en la porció líquida, mentre que es retirava el clorur de sodi precipitat. La solubilitat del nitrat de potassi disminueix ràpidament a mesura que disminueix la temperatura, però la solubilitat del clorur de sodi és bastant constant amb la temperatura. Un cop finalitzat el procés de separació inicial per sobre, el líquid es refredava i es precipitava nitrat de potassi. Fins i tot després del procés de separació, el salnitre contenia impureses i un producte típic podria consistir en només un 75% de nitrat de potassi. La quantitat és generalment suficient per a propòsits generals, però aquest producte podria ser més refinat utilitzant diverses tècniques per obtenir salnitre d'alt grau. Aquestes tècniques s'utilitzaven quan es desitjava pólvora negra d'alta qualitat com la produïda pels francesos sota Antoine Lavoisier (1743–1794) a finals del i el seu alumne Eleuthère Irénée du Pont de Nemours (1771–1834). Aquest emigrà a Amèrica i fundà l'empresa DuPont, per a fabricar pólvora i que es convertí en l'empresa química més gran dels Estats Units. miniatura|Placa assenyalant una mina de salnitre a Texas Un dels llocs més comuns per a la producció de salnitre als Estats Units foren les coves de pedra calcària, principalment als estats de Kentucky, Tennessee i Indiana, que tengueren una destacada importància durant la Guerra Civil dels Estats Units (1861-1865). Els sòls d'aquestes coves contenien fems de ratpenats que s'havia acumulat al llarg de milers d'anys, i les mateixes coves contenien sòls alcalins naturals i estaven protegides de la pluja. Les mines de Xile, al desert d'Atacama subministraren nitrat de sodi (nitre de Xile) als països que no en tenien als seus territoris a partir de la dècada de 1830. El nitrat de sodi es convertia en nitrat de potassi per reacció amb clorur de potassi:
NaNO3(aq) + KCl(aq) -> KNO3(aq) + NaCl(aq)
Encara que l'ús més destacat de salnitre fou la producció de pólvora negra, el nitrat de potassi també s'utilitza com a fertilitzant. A la primera meitat del , Johann Rudolf Glauber (1604–1668) descobrí que afavorira el creixement vegetal. La necessitat dels alemanys de suplantar el subministrament de salnitre xilè, que podria ser tallat pel bloqueig dels aliats, conduí a la recerca de mètodes per sintetitzar nitrats. La reacció va requerir un subministrament d'amoníac, que va ser sintetitzat econòmicament per Fritz Haber (1868-1934) abans de la Primera Guerra Mundial. L'amoníac es podria convertir a àcid nítric a través del procediment Ostwald i després es pot reaccionar l'àcid nítric amb bases per produir nitrats.
Estat natural Els nitrats es formen en zones, anomenades nitreres, en què s'han acumulat durant molts d'anys residus animals com la brutícia de graners, estables, sestadors, corrals, coves o cellers. Aquests llocs han d'estar situats on la pluja o els corrents d'aigua no puguin rentar el salnitre o el vent granar-lo. Els compostos d'amoníac de l'orina dels residus fecals a les nitreres, a causa de la intervenció de diferents microorganismes, pateixen nitrificació per produir nitrats, que es combinen amb potassi al sòl per formar salnitre. La nitrificació implica dos passos:
1) Conversió de l'amoníac NH3 i l'amoni NH4+ primer en nitrit NO2-, procés que realitzen els bacteris anomenats d'oxidació de l'amoni (gèneres Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus i Nitrosovibrio):
NH3 + O2 -> NO2- + 3H+ + 2e-2NH4+ + 3O2 -> 2NO2- + 4H+ + 2H2O
2) El segon pas, de nitrit NO2- a NO3-, el duen a terme els bacteris dels gèneres Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira i Nitrospina: NO2- + H2O -> NO3- + 2H+ + 2e-2NO2- + O2 -> 2NO3-
Al gènere Nitrosomonas europaea la primera etapa d'oxidació d'amoni a hidroxilamina el duu a terme l'enzim amoni monooxigenasa (AMO).
NH3 + O2 + 2H+ -> NH2OH + H2O
La segona etapa, d'hidroxilamina a nitrit, és catalitzada per la hidroxilamina oxidoreductasa (HAO) que transforma la hidroxilamina en monòxid de nitrogen i després un altre enzim transforma aquest en nitri:
NH2OH -> NO + 3H+ + 3e-
Finalment, la tercera etapa, de nitrit a nitrat, el duen a terme diferents organismes:
{nitrit} + acceptor <=> {nitrat} + acceptor \ reduit
Obtenció Polònia és el primer país per la producció de nitrat de potassi al món. El 2018, la producció de nitrat de potassi a Polònia era de 9 161 tones, la qual cosa representa pràcticament el 100 % de la producció mundial de nitrat de potassi. Els quatre següents països eren Luxemburg, Eslovènia, Xipre i Kirguizstan, amb produccions molt baixes.
A partir de nitrat de calci miniatura|Cristalls de nitrat de potassi en forma d'agulla S'han desenvolupat diversos processos per a l'obtenció de nitrat de potassi a partir de nitrat de calci Ca(NO3)2, que és un subproducte d'altres processos, com ara la digestió de fosfat de roca amb àcid nítric. Amb sulfat de potassi K2SO4 com a producte de partida, es produeix sulfat de calci CaSO4 poc soluble, que es pot separar fàcilment.
Ca(NO3)2 + K2SO4 -> 2 KNO3 + CaSO4Aquesta és la base per al procés senzill de Víctor, que fou emprat després de 1951 a Alemanya durant diverses dècades per a la fabricació de nitrat de potassi. En un altre procés proposat, la pedra calcària, carbonat de calci CaCO3, és fa reaccionar amb àcid nítric per formar nitrat de calci. Els cristalls de nitrat de potassi són aïllats amb una puresa del 99,5 %. miniatura|Cristalls de nitrat de potassi observats amb microscopi
A partir de nitrat d'amoni El nitrat de potassi es sintetitza per reacció del nitrat d'amoni NH4NO3 (disponible en alta puresa) i clorur de potassi KCl per doble descomposició en dissolució aquosa. El clorur d'amoni NH4Cl format és fàcil de separar. Amb aquest procés es produeix nitrat de potassi per adobs, que conté un 95 % de nitrat de potassi i un 5 % de nitrat d'amoni.
NH4NO3 + KCl -> KNO3 + NH4Cl
A partir de clorur de potassi i àcid nítric El clorur de potassi KCl sòlid és fa reaccionar amb àcid nítric HNO3 a 5-10 °C en un dissolvent orgànic (n-butanol o iso-pentanol). El dissolvent extreu el clorur d'hidrogen HCl format, i es precipita el nitrat de potassi quantitativament des de la fase aquosa. L'avantatge de la baixa temperatura de reacció és que el clorur d'hidrogen s'extreu a la fase orgànica en preferència a l'àcid nítric. La reacció és:
KCl + HNO3 -> KNO3 + HCl
Propietats El nitrat de potassi és un sòlid cristal·lí de color blanc, inodor i de gust salí. Cristal·litza en el sistema ortoròmbic, grup espacial mmm. El seu punt de fusió és de 337 °C i descompon a 400 °C. La seva densitat és 2,1 g/cm³ a 25 °C. És molt soluble en aigua, 38,3 g en 100 g d'aigua a 25 °C, i la seva solubilitat augmenta molt amb la temperatura, essent de 247 g en 100 g d'aigua a 100 °C. El pH de les dissolucions aquoses és neutre. És insoluble en etanol i poc soluble en metanol. +Taula de solubilitats del KNO3 en funció de la temperaturaTemperatura (°C)010202530405060708090100Solubilitat (% en massa)12,017,624,227,731,338,645,752,258,063,067,370,8
Propietats químiques El nitrat de potassi és un agent oxidant fort; reacciona violentament amb materials inflamables, combustibles, molts compostos orgànics, i altres agents reductors com alumini granulat o en pols, magnesi i altres metalls, que sovint provoquen incendis i explosions.
Reaccions àcid-base Amb els àcids forts el nitrat de potassi actua com a base. És el cas de la reacció amb l'àcid sulfúric que fou emprada per a l'obtenció industrial d'àcid nítric:KNO3 + H2SO4 -> KHSO4 + HNO3
Oxidació miniatura|Coet de sucre que empra un nitrat com oxidant