استخراج پتاس از خاکستر چوب — عنصر قلیایی پنهان در هر آتش

پتاسیم (K، عنصر ۱۹) در گروه ۱ (فلزهای قلیایی)، دورهٔ ۴ جدول تناوبی قرار دارد. جرم اتمی آن ۳۹٫۰۹۸ و آرایش الکترونی آن [Ar] 4s¹ است. مانند همهٔ فلزهای قلیایی، یک الکترون ظرفیت دارد که به‌آسانی از دست می‌دهد و همین آن را بسیار واکنش‌پذیر می‌کند. فلز خالص سفید نقره‌ای است، آن‌قدر نرم که با کارد کره بریده می‌شود (سختی موس ۰٫۴)، و چگالی آن ۰٫۸۶۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب است — دومین فلز سبک پس از لیتیم. تنها در ۶۳٫۵ درجهٔ سلسیوس (۱۴۶ درجهٔ فارنهایت) ذوب می‌شود.

پتاسیم با آب به‌شدت واکنش می‌دهد: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. گاز هیدروژن خودبه‌خود شعله‌ور می‌شود و با شعلهٔ یاسی‌رنگ ویژه‌ای می‌سوزد. به همین دلیل فلز پتاسیم را باید زیر روغن معدنی یا گاز بی‌اثر نگه داشت — در طبیعت نمی‌تواند به شکل فلزی وجود داشته باشد. در پوستهٔ زمین، پتاسیم فقط به‌صورت یون‌های K⁺ در کانی‌هایی مانند فلدسپات (KAlSi₃O₈)، مسکوویت (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂) و سیلویت (KCl) یافت می‌شود. گیاهان K⁺ را با ریشه از خاک جذب می‌کنند؛ وقتی چوب می‌سوزد، پتاسیم به شکل کربنات پتاسیم (K₂CO₃) در خاکستر می‌ماند.

چوب‌های سخت را برگزینید: بلوط، راش، نارون، افرا یا زبان‌گنجشک. چوب‌های سخت چوب‌های سنتی پتاس‌سازی در اروپا و آمریکای دوران مستعمراتی بودند؛ چوب‌های نرم مانند کاج، نوئل و صنوبر کوهی (fir) خاکستر کمتری می‌دهند. مقدار قلیای خاکستر بسته به گونهٔ درخت، سهم پوست و ترکه‌ها و خاکی که درخت در آن رشد کرده بسیار فرق می‌کند، پس به هر عدد تکی با احتیاط بنگرید و خاکستر خودتان را با آزمون‌های گام‌های ۱۱ و ۱۲ بسنجید.

چوب باید خوب خشک شده باشد (دست‌کم ۶ ماه در هوا). چوب تر انرژی را صرف تبخیر رطوبت می‌کند و ناقص می‌سوزد و به‌جای خاکستر روشنِ لازم برای شست‌وشوی کارآمد، خاکستری خاکستری‌رنگِ آمیخته با زغال بر جا می‌گذارد.

آتش را در گودالی سرپوشیده روشن کنید — باران پتاسیم محلول را پیش از آنکه بتوانید جمعش کنید می‌شوید و می‌برد. چوب سخت را در آتشی داغ با تهویهٔ خوب بسوزانید. چوب را کم‌کم اضافه کنید و بگذارید هر بار کامل بسوزد و بعد بیشتر بگذارید. آتش داغ با جریان هوای خوب خاکستر سفید یا خاکستری روشن می‌دهد؛ آتش نیم‌سوز خاکستر تیرهٔ پر از کربن نسوخته می‌دهد که کمتر به کار می‌آید.

سوزاندن را ادامه دهید تا حجم قابل‌توجهی خاکستر جمع کنید — دست‌کم ۲۰ تا ۳۰ لیتر برای بازدهی معنادار. بگذارید آتش کاملاً بسوزد و خاکستر شود؛ تکه‌های درشت زغالی را که کامل نسوخته‌اند جدا کنید. چوب تنها بخش کوچکی از وزن خود را به‌صورت خاکستر بر جا می‌گذارد، پس این حجم هیزم بسیار زیادی لازم دارد — بسیار بیش از یک آتش شبانه؛ بسیاری از سازندگان خاکستر یک بخاری یا گودال آتش را در طول یک فصل کامل جمع می‌کنند.

بگذارید خاکستر دست‌کم ۲۴ ساعت سرد شود و پیش از جابه‌جا کردن، آن را به هم بزنید تا اخگرها را پیدا کنید: خاکستر ممکن است چند روز اخگر زنده را در خود پنهان کند. خاکستر داغ می‌تواند سوختگی شدید ایجاد کند، پلاستیک را ذوب کند و آتش‌سوزی به راه بیندازد. وقتی به لمس سرد شد، آن را با بیلچه یا کفگیر فلزی در یک سطل فلزی خشک بریزید. خاکستر را خشک نگه دارید — اگر باران پیش از جمع‌آوری تودهٔ خاکستر را خیس کند، بخش زیادی از K₂CO₃ محلول به زمین نفوذ می‌کند و از دست می‌رود.

خاکستر سرد را از یک الک درشت (چشمهٔ ۵ تا ۱۰ میلی‌متری) بگذرانید تا خاکستر ریز از تکه‌های زغال، میخ، سنگ و تکه‌های چوب نسوخته جدا شود. پودر ریز سفید یا خاکستری روشن که رد می‌شود مادهٔ غنی از پتاس شماست. تکه‌های زغالی را که در الک می‌مانند می‌توان برای کارهای دیگر (سوخت، تصفیهٔ آب، اصلاح خاک) نگه داشت، اما پتاسیم استخراج‌پذیر آن‌ها بسیار اندک است.

از یک بشکهٔ چوبی یا سطل بزرگی که نزدیک کف آن سوراخی زده‌اید استفاده کنید. لایه‌ای ضخیم (۵ تا ۸ سانتی‌متر) از کاه یا علف خشک در کف بشکه بگذارید — این لایه صافی است تا خاکستر ریز سوراخ خروجی را نبندد و به آب قلیا نرود. کاه باید تمیز و خشک باشد. بشکه را روی سکویی بلند (سنگ، آجر یا پایهٔ چوبی) بگذارید تا یک سطل جمع‌آوری زیر سوراخ جا شود.

بشکه‌های چوبی سنتی‌اند؛ آب قلیا به آلومینیوم، روی و قلع حمله می‌کند، در حالی که آهن و فولاد زنگ‌نزن در برابرش مقاوم‌اند. اگر از سطل پلاستیکی استفاده می‌کنید، مطمئن شوید از HDPE (کد بازیافت ۲) است که در برابر محلول‌های قلیایی مقاوم است.

بشکه را با خاکستر سفید الک‌شده پر کنید و آن را لایه‌به‌لایه بکوبید. هر لایه را آرام فشرده کنید — اگر خیلی شل باشد آب از کانال‌ها رد می‌شود و K₂CO₃ زیادی حل نمی‌کند؛ اگر خیلی سفت باشد آب اصلاً نفوذ نمی‌کند. بشکه را تا ۱۰ سانتی‌متر پایین‌تر از لبه پر کنید و جا برای آبی که رویش می‌ریزید بگذارید. بشکه‌ای با ۲۵ تا ۳۰ لیتر خاکستر خشک مقدار کاری خوبی است.

آب سبک (کم‌املاح) را آرام روی خاکستر کوبیده بریزید. آب باران بهترین است: تقریباً کلسیم و منیزیم محلول ندارد، که با کربنات واکنش می‌دادند و به‌صورت رسوب ته‌نشین می‌شدند. آب از میان خاکستر به پایین نفوذ می‌کند و کربنات پتاسیم محلول (K₂CO₃) و مقادیر کمتری سولفات پتاسیم (K₂SO₄) و کلرید پتاسیم (KCl) را حل می‌کند. به این فرایند آب‌شویی (lixiviation) می‌گویند.

هر بار کمی بریزید و بگذارید جذب شود. اگر خیلی تند بریزید، آب بدون تماس کافی با خاکستر از کانال‌ها می‌گذرد. مایعی که از پایین می‌چکد آب قلیا (محلول پتاس) است که به‌خاطر ترکیبات آلی حل‌شده قهوه‌ای است.

مایع قهوه‌ای که از بشکه بیرون می‌آید آب قلیای خام شماست — محلول قلیایی کربنات پتاسیم در آب. آن را در سطلی تمیز جمع کنید (چوبی، پلاستیک HDPE یا آهنی — هرگز آلومینیوم، روی یا قلع که آب قلیا به آن‌ها حمله می‌کند). نخستین جریان‌ها قوی‌ترین‌اند؛ ریختن‌های بعدی آب قلیای ضعیف‌تر و ضعیف‌تری می‌دهد، چون پتاسیم محلول خاکستر ته می‌کشد.

ایمنی: هنگام کار با آب قلیا عینک ایمنی و دستکش بپوشید. آب قلیای پتاس به‌شدت قلیایی است (معمولاً pH ۱۱ تا ۱۳) و پوست و چشم را دچار سوختگی شیمیایی می‌کند. اگر روی پوست یا در چشم پاشید، بی‌درنگ دست‌کم ۱۵ دقیقه با مقدار زیادی آب تمیز روان بشویید و اگر به چشم رسید به پزشک مراجعه کنید. سرکه یا اسید دیگری در چشم نریزید؛ یک سطل آب تمیز دم دست داشته باشید.

آب قلیای جمع‌شده را بار دوم و سوم دوباره از همان بشکهٔ خاکستر بگذرانید. هر گذر K₂CO₃ بیشتری حل می‌کند و غلظت را بالا می‌برد. یا آب قلیای بشکهٔ نخست را از بشکهٔ دومی با خاکستر تازه بگذرانید. پتاس‌سازان قدیم اغلب ردیف‌هایی پله‌ای از بشکه‌ها داشتند و آب قلیا را از خاکستر تازه و تازه‌تر می‌گذراندند تا پیش از تبخیر غلیظ شود — و چون جوشاندن با آب قلیای از پیش غلیظ آغاز می‌شد، در سوخت صرفه‌جویی می‌کردند.

نوک یک پَر را در آب قلیا فرو کنید. این آزمونی سنتی از صابون‌پزان است: آب قلیایی که برای صابون‌سازی به‌اندازهٔ کافی قوی باشد، پرزهای پَر را آشکارا می‌خورد، چون کراتین در قلیای قوی تجزیه می‌شود. آزمونی تقریبی و کیفی است — می‌گوید آب قلیا قوی است یا نه، نه اینکه چقدر. اگر پَر تغییری نکند، آب قلیا بسیار ضعیف است و پیش از مرحلهٔ جوشاندن باید دوباره از خاکستر تازه بگذرد یا کمی تبخیر شود.

یک تخم‌مرغ تازه و تمیز را آرام در آب قلیا بگذارید. این هم آزمونی سنتی است: وقتی آب قلیا به‌اندازهٔ کافی غلیظ باشد، تخم‌مرغ شناور می‌ماند و تکه‌ای از پوسته به اندازهٔ یک سکه بالای سطح دیده می‌شود. اگر تخم‌مرغ فرو رفت، آب قلیا باید غلیظ‌تر شود — آن را از خاکستر بیشتری بگذرانید یا برای کم کردن حجم، تبخیری مقدماتی آغاز کنید. چگالی تخم‌مرغ با کهنه شدن تغییر می‌کند، پس از تخم‌مرغ تازه استفاده کنید و نتیجه را راهنما بدانید.

آب قلیای غلیظ را به یک دیگ یا پاتیل بزرگ چدنی منتقل کنید. آهن در برابر آب قلیای پتاس مقاوم است، در حالی که آلومینیوم به‌سرعت در آن حل می‌شود و روی و قلع خورده می‌شوند، پس آهن به کار ببرید. پاتیل‌های بزرگ آهنی پتاس ظرف معمول تجارت پتاس در سده‌های هجدهم و نوزدهم بودند. دیگ است که واژه را به ما داده: «pot-ash» باقی‌ماندهٔ خاکسترمانندی است که پس از این تبخیر در دیگ می‌ماند.

دیگ آهنی را روی آتشی یکنواخت بگذارید و آب قلیا را به جوشی تند برسانید. گرما را ثابت نگه دارید — اگر خیلی تند باشد آب قلیا به‌طرز خطرناکی می‌پاشد؛ اگر خیلی کم باشد تبخیر بیش از اندازه طول می‌کشد. با تبخیر آب، آب قلیا تیره و غلیظ می‌شود. هرچه حجم کم می‌شود از ذخیره‌تان آب قلیا اضافه کنید و دیگ را تقریباً نیمه‌پر نگه دارید. برای یک بار بزرگ، این کار ساعت‌ها جوشاندن پیوسته می‌طلبد.

ایمنی: آب قلیای در حال جوش می‌پاشد و قطره‌ها و مه آن سوزآورند. در فضای باز یا جایی با تهویهٔ بسیار خوب کار کنید. عینک ایمنی و دستکش ضخیم بپوشید. هرگز دیگ آب قلیای در حال جوش را بی‌مراقب رها نکنید.

با تبخیر آب، مایع غلیظ می‌شود و به خمیری قهوه‌ای تیره و شربت‌مانند تبدیل می‌شود. آتش را کم کنید تا ته نگیرد. گاه‌به‌گاه با میله‌ای بلند از آهن یا پاروی چوبی هم بزنید (پارو آرام‌آرام زغالی می‌شود اما برای مدتی کار می‌کند). وقتی خمیر آن‌قدر غلیظ شد که قاشقی که از میانش می‌کشید ردی بگذارد که آهسته پر شود، تبخیر تقریباً تمام است. در این مرحله خمیر «نمک سیاه» خام است — آمیزه‌ای از K₂CO₃ با پسماند آلی، سولفات پتاسیم و دیگر کانی‌های خاکستر.

خمیر غلیظ را به ظرفی آهنی و کم‌عمق منتقل کنید یا روی سطحی صاف از آهن پهن کنید. آن را روی آتشی قوی گرم کنید تا به سرخیِ کدر برسد (حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ درجهٔ سلسیوس). ترکیبات آلی که به نمک‌های خام رنگ تیره می‌دهند به‌صورت دی‌اکسید کربن و بخار آب می‌سوزند و پتاس خام سفید مایل به خاکستری بر جا می‌ماند. در گذشته، نمک سیاهی را که در پاتیل ذوب می‌کردند به نام پتاس می‌فروختند، و نمک سیاهی را که در کوره می‌پختند تا مواد آلی‌اش بسوزد سفیدتر درمی‌آمد و به نام مروارید پتاس (pearl ash) فروخته می‌شد. گاه‌به‌گاه هم بزنید تا گرما یکنواخت باشد. از سرخیِ روشن فراتر نروید: کربنات پتاسیم در حدود ۸۹۰ درجهٔ سلسیوس ذوب می‌شود و نمک‌ها در هم جوش می‌خورند و به کلوخی سخت تبدیل می‌شوند که کار با آن دشوار است.

ظرف را از روی آتش بردارید و بگذارید پتاس کاملاً سرد شود — چند ساعت در هوای آرام. نتیجه پتاس خام است: پودری سفید مایل به خاکستری از کربنات پتاسیم (K₂CO₃) با ناخالصی‌هایی چون سولفات پتاسیم (K₂SO₄)، کلرید پتاسیم (KCl)، سیلیس و کانی‌های کمیاب. این پتاس خام را بدون خالص‌سازی بیشتر می‌توان به‌عنوان کود، گدازآور شیشه‌سازی و در صابون‌سازی به کار برد. آن را در ظرفی خشک و دربسته نگه دارید — K₂CO₃ رطوبت‌گیر است و رطوبت هوا را جذب می‌کند تا به توده‌ای خیس و چسبناک بدل شود.

برای کربنات پتاسیم سفیدتر و خالص‌تر، پتاس خام را در آب داغ حل کنید، سپس از پارچه‌ای نازک صاف کنید تا ناخالصی‌های نامحلول (سیلیس، کربنات کلسیم، اکسیدهای آهن) جدا شوند. صاف‌شده هنوز نمک‌های محلول دیگر، به‌ویژه سولفات پتاسیم و کلرید پتاسیم، را در خود دارد؛ پس خالص‌تر است اما K₂CO₃ خالص نیست. محلول را آرام در دیگ آهنی تبخیر کنید تا خشک شود. پودر سفید به دست‌آمده به مروارید پتاس تجارت سدهٔ هجدهم نزدیک است: کربنات پتاسیم خالص‌شده که در شیشهٔ مرغوب، به‌عنوان مادهٔ حجم‌دهنده در نانوایی و شیرینی‌پزی (پیش از جوش شیرین) و در شیمی به کار می‌رفت. مروارید پتاس گران‌تر از پتاس خام فروخته می‌شد.

پتاس تقریباً با همهٔ شاخه‌های فناوری کهن پیوند دارد. صابون: آب قلیای پتاس که با چربی جوشانده شود صابون نرم می‌دهد؛ صابون‌پزان اغلب آهک شکفته به آب قلیا می‌افزودند تا بخشی از کربنات را به هیدروکسید پتاسیمِ سوزآورتر تبدیل کنند. صابون سخت را در عوض با سودای به‌دست‌آمده از خاکستر گیاهان می‌ساختند. شیشه: پتاس نقش گدازآور دارد و امکان می‌دهد شیشه در دمایی بسیار پایین‌تر از نقطهٔ ذوب سیلیس خالص (حدود ۱۷۰۰ درجهٔ سلسیوس) ذوب شود. «شیشهٔ جنگلی» (Waldglas) شمال اروپا از پتاس خاکستر چوب بهره می‌برد؛ شیشهٔ مدیترانه‌ای از سودا (Na₂CO₃) استفاده می‌کرد، در دوران باستان از ناترون و بعدها از خاکستر گیاهان ساحلی شورپسند. باروت: شوره (KNO₃) از بسترهای شوره‌سازی به دست می‌آمد، جایی که مواد آلیِ در حال پوسیدن و باکتری‌های خاک نیترات، عمدتاً نیترات کلسیم، پدید می‌آوردند. آبِ نیترات‌داری که از این بسترها شسته می‌شد سپس از خاکستر چوب گذرانده یا با پتاس آمیخته می‌شد، و پتاس نیترات کلسیم را به نیترات پتاسیم تبدیل می‌کرد و کلسیم را به‌صورت کربنات ته‌نشین می‌ساخت. کشاورزی: پتاسیم یکی از سه عنصر پرمصرف در نظام کودی N-P-K است. هر آتشی در مزرعهٔ کشاورز، مدت‌ها پیش از آنکه کسی دلیلش را بفهمد، پتاسیم را به خاک بازمی‌گرداند.

از نام عربی «القِلی» تا شادی همفری دیوی در ۱۸۰۷، داستان پتاسیم از دل تاریخ شیمی می‌گذرد — ماده‌ای سودمند که هزاران سال شناخته شده بود و تنها کمی بیش از دو سده پیش به‌صورت فلز جدا شد.