木灰からポタッシュを取り出す — あらゆる火に潜むアルカリ元素

カリウム（K、元素番号19）は周期表の1族（アルカリ金属）、第4周期にあります。原子量は39.098、電子配置は [Ar] 4s¹ です。ほかのアルカリ金属と同じく、手放しやすい価電子を1個もつため、きわめて反応性が高い元素です。純粋な金属は銀白色で、バターナイフで切れるほど柔らかく（モース硬度0.4）、密度は0.862 g/cm³ — リチウムに次いで2番目に軽い金属です。わずか63.5 °C（146 °F）で融けます。

カリウムは水と激しく反応します：2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑。水素ガスは自然に発火し、特有の薄紫色の炎で燃えます。この反応のため、金属カリウムは鉱物油や不活性ガスの中で保管しなければならず、自然界では金属の状態で存在できません。地殻の中でカリウムは、長石（KAlSi₃O₈）、白雲母（KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂）、カリ岩塩（シルビン、KCl）などの鉱物中の K⁺ イオンとしてのみ存在します。植物は根から土壌の K⁺ を吸収し、木が燃えるとカリウムは炭酸カリウム（K₂CO₃）として灰に残ります。

堅い広葉樹を選びます：ナラ（オーク）、ブナ、ニレ、カエデ、トネリコ。ヨーロッパと植民地時代のアメリカでは広葉樹の堅木が伝統的なポタッシュ用の木でした。マツ、トウヒ、モミなどの針葉樹は灰が少なめです。灰に含まれるアルカリの量は、樹種、樹皮や小枝の割合、木が育った土によって大きく変わるので、一つの数字をうのみにせず、自分の灰はステップ11と12の試験で判断しましょう。

木はよく乾いている必要があります（少なくとも6か月の自然乾燥）。生木は水分を飛ばすのにエネルギーを浪費し、不完全燃焼して、効率よく浸出するのに必要な明るい色の灰ではなく、炭の混じった灰色の灰を残します。

雨よけのある焚き火穴で火をおこします。雨が降ると、集める前に水に溶けるカリウムが流されてしまいます。堅木を、よく空気の通る高温の火で燃やします。薪は少しずつ足し、前の薪が燃え尽きてから次を入れます。空気がよく通る熱い火では白か薄い灰色の灰になり、くすぶる火では燃え残りの炭素を多く含む黒っぽい灰になって、あまり役に立ちません。

十分な量の灰がたまるまで燃やし続けます — 手ごたえのある収量には少なくとも20〜30リットル。火を完全に燃え尽きさせて灰にし、燃え切らなかった大きな炭の塊は取り除きます。木が灰として残すのは重さのごく一部なので、この量には大量の薪が必要です — 一晩の焚き火よりはるかに多く、ストーブや焚き火穴の灰をひと季節かけてためるメイカーも多くいます。

灰は少なくとも24時間冷まし、動かす前にかき混ぜて残り火がないか確かめます。灰は何日も燃えている炭を隠していることがあります。熱い灰はひどいやけどを負わせ、プラスチックを溶かし、火事の原因にもなります。触って冷たくなったら、金属製のスコップやすくい具で乾いた金属バケツに移します。灰は乾いた状態に保ちます — 集める前に雨が灰の山をぬらすと、水に溶ける K₂CO₃ の多くが地面にしみ込んで失われます。

冷めた灰を粗いふるい（目開き5〜10 mm）に通し、細かい灰を炭のかけら、釘、石、燃え残りの木片から分けます。ふるいを通り抜けた白または薄い灰色の細かい粉が、ポタッシュに富んだ原料です。ふるいに残った炭のかけらは別の用途（燃料、水のろ過、土壌改良）に取っておけますが、取り出せるカリウムはごくわずかです。

底の近くに穴をあけた木の樽か大きなバケツを使います。樽の底にわらや干し草を厚く（5〜8 cm）敷きます — これがフィルターになり、細かい灰が排出穴を詰まらせたり灰汁に混じったりするのを防ぎます。わらは清潔で乾いたものにします。樽は台の上（石、れんが、木の台）に置いて、排出穴の下に受けのバケツが入るようにします。

木の樽が伝統的です。灰汁はアルミニウム、亜鉛、スズを侵しますが、鉄とステンレス鋼は耐えます。プラスチックのバケツを使う場合は、アルカリ溶液に強いHDPE（リサイクルコード2）であることを確かめてください。

ふるった白い灰を、層ごとに押し固めながら樽に詰めます。各層は軽く突き固めます — ゆるすぎると水が通り道をつくって流れ、K₂CO₃ をあまり溶かしません。固すぎると水がまったくしみ通りません。上から注ぐ水の分をあけて、縁から10 cm下まで詰めます。乾いた灰25〜30リットルを詰めた樽が、作業しやすい量です。

押し固めた灰の上に軟水（ミネラルの少ない水）をゆっくり注ぎます。雨水が理想的です：溶けたカルシウムやマグネシウムをほとんど含まず、これらが炭酸塩と反応して湯あかのように沈殿することがありません。水は灰の中を下へしみ通りながら、水に溶ける炭酸カリウム（K₂CO₃）と、少量の硫酸カリウム（K₂SO₄）・塩化カリウム（KCl）を溶かし出します。この工程を浸出（lixiviation）といいます。

少しずつ注ぎ、しみ込ませます。速く注ぎすぎると、水は十分な灰に触れないまま通り道を流れてしまいます。下から滴る液体が灰汁（ポタッシュ溶液）で、溶けた有機物のため茶色をしています。

樽から流れ出る茶色い液体が、生の灰汁 — 炭酸カリウムの水溶液で、アルカリ性です。清潔なバケツ（木、HDPEプラスチック、鉄のもの — 灰汁に侵されるアルミニウム、亜鉛、スズのものは決して使わない）で受けます。最初に出てくるものがいちばん濃く、あとの注ぎほど灰の水溶性カリウムが減るので、だんだん薄い灰汁になります。

安全：灰汁を扱うときは保護メガネと手袋を着けます。ポタッシュの灰汁は強いアルカリ性（ふつう pH 11〜13）で、皮膚や目に化学やけどを起こします。皮膚や目に飛んだら、すぐにきれいな流水で少なくとも15分間たっぷり洗い流し、目に入った場合は医師の診察を受けてください。目に酢やほかの酸を入れてはいけません。きれいな水を入れたバケツを手の届く所に置いておきます。

受けた灰汁を同じ灰の樽にもう一度、さらにもう一度通します。通すたびに K₂CO₃ が溶け出し、濃度が上がります。あるいは、最初の樽の灰汁を新しい灰を詰めた2つ目の樽に通します。昔のポタッシュ製造者は、樽を段々に並べて灰汁をより新しい灰へと順に通し、煮詰める前に濃くすることがよくありました — 最初から濃い灰汁で煮始められるので、燃料の節約になったのです。

羽根の先を灰汁に浸します。石けん職人の伝統的な試験です：石けんが作れるほど強い灰汁は、羽根の羽枝を目に見えて溶かします。強いアルカリの中ではケラチンが分解するからです。これは大まかで定性的な試験で、灰汁が強いかどうかはわかっても、どれくらい強いかはわかりません。羽根に変化がなければ灰汁は弱すぎるので、煮詰める前に新しい灰にもう一度通すか、少し蒸発させます。

新鮮できれいな卵をそっと灰汁に入れます。これも伝統的な試験です：灰汁が十分に濃くなると、卵は浮き、硬貨ほどの大きさの殻が水面から出ます。卵が沈むなら灰汁をさらに濃くする必要があります — もっと灰に通すか、量を減らすために予備の蒸発を始めましょう。卵の密度は古くなると変わるので、新しい卵を使い、結果は目安と考えてください。

濃い灰汁を大きな鋳鉄の鍋か大釜に移します。鉄はポタッシュの灰汁に耐えますが、アルミニウムはすぐに溶け、亜鉛とスズは腐食するので、鉄を使いましょう。大きな鉄製のポタッシュ釜は、18〜19世紀のポタッシュ取引で標準の容器でした。この言葉を生んだのは鍋です：「pot-ash」とは、この煮詰めのあと鍋に残る灰のような残りかすのことです。

鉄鍋を安定した火にかけ、灰汁をぐらぐらと沸騰させます。火加減は一定に保ちます — 強すぎると灰汁が危険に飛び散り、弱すぎると蒸発に時間がかかりすぎます。水が蒸発するにつれて灰汁は黒ずみ、とろみがつきます。量が減ったら取っておいた灰汁を足し、鍋がだいたい半分満ちている状態を保ちます。大きなバッチでは何時間も煮続けることになります。

安全：沸騰した灰汁ははね、そのしぶきや霧は腐食性があります。屋外か、とても風通しのよい場所で作業してください。保護メガネと厚手の手袋を着けます。沸騰している灰汁の鍋から決して目を離さないでください。

水が蒸発するにつれ、液体は濃い茶色の、シロップのようなペーストになります。焦げつかないよう火を弱めます。長い鉄の棒か木のへらでときどきかき混ぜます（へらは少しずつ焦げますが、しばらくは使えます）。ペーストが、スプーンを通した跡がゆっくりふさがるくらいまで濃くなれば、煮詰めはほぼ終わりです。この段階のペーストは生の「黒い塩」 — K₂CO₃ に有機物の残り、硫酸カリウム、その他の灰の鉱物が混ざったものです。

濃いペーストを浅い鉄の容器に移すか、平らな鉄板の上に広げます。強火で、鈍い赤色に光るまで（およそ600〜700 °C）加熱します。生の塩を黒く見せている有機物は二酸化炭素と水蒸気になって燃え去り、灰白色の粗ポタッシュが残ります。歴史的には、釜で溶かした黒い塩はポタッシュとして売られ、有機物を焼き飛ばすため窯で焼いた黒い塩はより白くなり、パールアッシュとして売られました。均一に熱が入るよう、ときどきかき混ぜます。明るい赤熱まで上げないでください：炭酸カリウムは約890 °Cで融け、塩が溶け合って扱いにくい硬い塊になってしまいます。

容器を火から下ろし、ポタッシュを完全に冷まします — 静かな空気の中で数時間。できあがるのは粗ポタッシュ：硫酸カリウム（K₂SO₄）、塩化カリウム（KCl）、シリカ、微量の鉱物などの不純物を含む、炭酸カリウム（K₂CO₃）の灰白色の粉です。この粗ポタッシュは、さらに精製しなくても肥料、ガラスの融剤、石けんづくりに使えます。密閉した乾いた容器に保管します — K₂CO₃ は吸湿性があり、空気中の水分を吸ってべたべたした湿った塊になります。

より白く純度の高い炭酸カリウムを得るには、粗ポタッシュを熱湯に溶かし、目の細かい布でこして水に溶けない不純物（シリカ、炭酸カルシウム、酸化鉄）を取り除きます。ろ液にはまだほかの水溶性の塩、主に硫酸カリウムと塩化カリウムが含まれているので、より純粋ではあっても純粋な K₂CO₃ ではありません。溶液を鉄鍋でゆっくり煮詰めて乾かします。得られる白い粉は18世紀の取引のパールアッシュに近いものです：上質なガラス、お菓子やパンのふくらし粉（重曹が登場する前）、化学に使われた精製炭酸カリウムです。パールアッシュは粗ポタッシュより高値で売られました。

ポタッシュは初期の技術のほぼすべての分野とつながっています。石けん：ポタッシュの灰汁を脂肪と煮ると軟せっけんができます。石けん職人はよく灰汁に消石灰を加え、炭酸塩の一部をより腐食性の強い水酸化カリウムに変えました。硬い石けんは、代わりに植物の灰から得たソーダで作られました。ガラス：ポタッシュは融剤として働き、純粋なシリカの融点（約1700 °C）よりずっと低い温度でガラスを溶かせるようにします。北ヨーロッパの「森のガラス」（Waldglas）は木灰のポタッシュを使い、地中海のガラスはソーダ（Na₂CO₃）を使いました。古代にはナトロンから、のちには塩分に強い海岸植物の灰からです。火薬：硝石（KNO₃）は硝石床から得られました。そこでは腐りゆく有機物と土壌細菌が硝酸塩、主に硝酸カルシウムをつくりました。床から浸出させた硝酸塩の液は、その後木灰に通すかポタッシュと混ぜられ、ポタッシュが硝酸カルシウムを硝酸カリウムに変え、カルシウムを炭酸塩として沈殿させました。農業：カリウムはN-P-K肥料体系の三大栄養素の一つです。農民の畑で燃やされた火はどれも、その理由を誰かが理解するずっと前から、土にカリウムを返していたのです。

アラビア語の al-qalī という名前から1807年のハンフリー・デービーの歓喜まで、カリウムの物語は化学の歴史を貫いています — 何千年も前から知られていた有用な物質でありながら、金属として取り出されたのはわずか200年あまり前のことです。