나뭇재에서 포타시 추출하기 — 모든 불에 숨어 있는 알칼리 원소

칼륨(K, 원소 번호 19)은 주기율표의 1족(알칼리 금속), 4주기에 있습니다. 원자량은 39.098, 전자 배치는 [Ar] 4s¹입니다. 모든 알칼리 금속처럼 쉽게 내놓는 원자가 전자 하나를 가지고 있어 반응성이 매우 큽니다. 순수한 금속은 은백색이고, 버터 나이프로 자를 수 있을 만큼 무르며(모스 경도 0.4), 밀도는 0.862 g/cm³ — 리튬 다음으로 가벼운 금속입니다. 불과 63.5 °C(146 °F)에서 녹습니다.

칼륨은 물과 격렬하게 반응합니다: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. 수소 기체는 저절로 불이 붙어 특유의 연보라색 불꽃으로 탑니다. 이 반응 때문에 금속 칼륨은 광물유나 비활성 기체 속에 보관해야 하며, 자연에서는 금속 상태로 존재할 수 없습니다. 지각에서 칼륨은 장석(KAlSi₃O₈), 백운모(KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂), 실바이트(KCl) 같은 광물 속의 K⁺ 이온으로만 존재합니다. 식물은 뿌리로 흙에서 K⁺를 흡수하고, 나무가 타면 칼륨은 탄산칼륨(K₂CO₃)으로 재에 남습니다.

단단한 활엽수를 고르세요: 참나무(오크), 너도밤나무, 느릅나무, 단풍나무, 물푸레나무. 유럽과 식민지 시대 미국에서는 단단한 활엽수가 전통적인 포타시용 나무였고, 소나무·가문비나무·전나무 같은 침엽수는 재가 적게 남습니다. 재 속 알칼리의 양은 수종, 껍질과 잔가지의 비율, 나무가 자란 흙에 따라 크게 달라지므로 어떤 하나의 수치든 조심해서 받아들이고, 자신의 재는 11단계와 12단계의 시험으로 판단하세요.

나무는 잘 말라 있어야 합니다(적어도 6개월 자연 건조). 생나무는 수분을 날리는 데 에너지를 낭비하고 불완전 연소해, 효율적인 침출에 필요한 밝은 재 대신 숯이 섞인 회색 재를 남깁니다.

비를 막아 주는 불구덩이에서 불을 피우세요. 비가 오면 모으기도 전에 물에 녹는 칼륨이 씻겨 나갑니다. 단단한 나무를 공기가 잘 통하는 뜨거운 불에서 태웁니다. 장작은 조금씩 넣고, 앞의 장작이 다 탄 뒤에 다음을 넣습니다. 공기가 잘 통하는 뜨거운 불은 흰색이나 연회색 재를 만들고, 연기만 내며 타는 불은 타지 않은 탄소가 가득한 검은 재를 만들어 쓸모가 덜합니다.

상당한 양의 재가 모일 때까지 계속 태우세요 — 의미 있는 수확을 위해 최소 20~30리터. 불이 완전히 타서 재가 되게 하고, 다 타지 않은 큰 숯덩이는 골라냅니다. 나무는 무게의 아주 작은 부분만 재로 남기므로, 이만한 양에는 매우 많은 장작이 필요합니다 — 하룻저녁 모닥불보다 훨씬 많이요. 많은 메이커가 난로나 불구덩이의 재를 한 철 내내 모읍니다.

재는 적어도 24시간 식히고, 옮기기 전에 휘저어 불씨가 없는지 확인하세요. 재는 며칠씩 살아 있는 불씨를 숨기고 있을 수 있습니다. 뜨거운 재는 심한 화상을 입히고, 플라스틱을 녹이고, 불을 낼 수 있습니다. 만져서 차가우면 금속 삽이나 국자로 마른 금속 양동이에 퍼 담습니다. 재는 마른 상태로 두세요 — 모으기 전에 비가 재 더미를 적시면 물에 녹는 K₂CO₃의 상당 부분이 땅에 스며들어 사라집니다.

식은 재를 굵은 체(구멍 5~10 mm)에 쳐서 고운 재를 숯 조각, 못, 돌, 타지 않은 나뭇조각에서 분리합니다. 체를 빠져나간 고운 흰색이나 연회색 가루가 포타시가 풍부한 원료입니다. 체에 남은 숯 조각은 다른 용도(연료, 물 거르기, 토양 개량)로 둘 수 있지만, 뽑아낼 수 있는 칼륨은 아주 적습니다.

바닥 가까이에 구멍을 뚫은 나무통이나 큰 양동이를 씁니다. 통 바닥에 짚이나 마른 풀을 두껍게(5~8 cm) 깝니다 — 이것이 필터가 되어 고운 재가 배수 구멍을 막거나 잿물에 섞이지 않게 합니다. 짚은 깨끗하고 말라 있어야 합니다. 통을 높은 받침(돌, 벽돌, 나무 받침대) 위에 올려 배수 구멍 아래에 받는 양동이가 들어가게 합니다.

나무통이 전통적입니다. 잿물은 알루미늄, 아연, 주석을 부식시키지만 철과 스테인리스강은 견딥니다. 플라스틱 양동이를 쓴다면 알칼리 용액에 강한 HDPE(재활용 코드 2)인지 확인하세요.

체 친 흰 재를 층층이 눌러 가며 통에 채웁니다. 각 층은 가볍게 다집니다 — 너무 느슨하면 물이 물길을 따라 흘러 K₂CO₃를 별로 녹이지 못하고, 너무 단단하면 물이 전혀 스며들지 않습니다. 위에서 부을 물을 위해 가장자리에서 10 cm 아래까지만 채웁니다. 마른 재 25~30리터를 채운 통이 작업하기 좋은 양입니다.

다진 재 위에 연수(미네랄이 적은 물)를 천천히 붓습니다. 빗물이 가장 좋습니다: 녹아 있는 칼슘이나 마그네슘이 거의 없어, 이것들이 탄산염과 반응해 물때처럼 가라앉을 일이 없습니다. 물은 재 속을 아래로 스며들며 물에 녹는 탄산칼륨(K₂CO₃)과 그보다 적은 양의 황산칼륨(K₂SO₄), 염화칼륨(KCl)을 녹여 냅니다. 이 과정을 침출(lixiviation)이라고 합니다.

조금씩 붓고 스며들게 두세요. 너무 빨리 부으면 물이 충분한 재에 닿지 못한 채 물길로 흘러 버립니다. 아래로 떨어지는 액체가 잿물(포타시 용액)이며, 녹은 유기물 때문에 갈색을 띱니다.

통에서 흘러나오는 갈색 액체가 날잿물 — 탄산칼륨이 물에 녹은 알칼리 용액입니다. 깨끗한 양동이(나무, HDPE 플라스틱, 철 — 잿물에 부식되는 알루미늄, 아연, 주석은 절대 안 됩니다)로 받으세요. 처음 흘러나오는 것이 가장 진하고, 재의 수용성 칼륨이 줄어들수록 나중에 부은 물은 점점 묽은 잿물이 됩니다.

안전: 잿물을 다룰 때는 보안경과 장갑을 착용하세요. 포타시 잿물은 강한 알칼리성(보통 pH 11~13)이며 피부와 눈에 화학 화상을 일으킵니다. 피부나 눈에 튀면 즉시 깨끗한 흐르는 물로 최소 15분 동안 충분히 씻어 내고, 눈에 들어갔다면 진료를 받으세요. 눈에 식초나 다른 산을 넣지 마세요. 깨끗한 물을 담은 양동이를 손 닿는 곳에 두세요.

받은 잿물을 같은 재 통에 두 번, 세 번 다시 붓습니다. 통과할 때마다 K₂CO₃가 더 녹아 농도가 올라갑니다. 또는 첫 번째 통의 잿물을 새 재를 담은 두 번째 통에 통과시킵니다. 옛 포타시 생산자들은 흔히 통을 계단식으로 늘어놓고 잿물을 점점 더 새로운 재에 흘려 끓이기 전에 진하게 만들었습니다 — 처음부터 진한 잿물로 끓이기 시작하니 연료를 아낄 수 있었지요.

깃털 끝을 잿물에 담급니다. 비누 장인들의 전통적인 시험입니다: 비누를 만들 만큼 센 잿물은 깃털의 깃가지를 눈에 띄게 녹입니다. 강한 알칼리에서는 케라틴이 분해되기 때문입니다. 이것은 대략적이고 정성적인 시험이라 잿물이 센지 아닌지는 알려 주지만 얼마나 센지는 알려 주지 않습니다. 깃털이 변하지 않으면 잿물이 너무 묽은 것이니, 끓이는 단계 전에 새 재에 한 번 더 통과시키거나 조금 증발시키세요.

신선하고 깨끗한 달걀을 잿물에 살며시 넣습니다. 이것도 전통적인 시험입니다: 잿물이 충분히 진해지면 달걀이 떠오르고 동전만 한 껍데기 부분이 수면 위로 나옵니다. 달걀이 가라앉으면 잿물을 더 진하게 해야 합니다 — 재에 더 통과시키거나, 양을 줄이기 위해 예비 증발을 시작하세요. 달걀의 밀도는 오래될수록 바뀌므로 신선한 달걀을 쓰고 결과는 참고로만 삼으세요.

진한 잿물을 큰 무쇠(주철) 솥이나 가마솥으로 옮깁니다. 철은 포타시 잿물에 견디지만, 알루미늄은 그 속에서 빠르게 녹고 아연과 주석은 부식되므로 철을 쓰세요. 커다란 쇠 포타시 솥은 18~19세기 포타시 거래의 표준 그릇이었습니다. 이 낱말을 우리에게 준 것은 솥입니다: "pot-ash"란 이 증발이 끝난 뒤 솥에 남는 재 같은 찌꺼기입니다.

쇠솥을 일정한 불에 올리고 잿물을 펄펄 끓입니다. 불은 한결같이 유지하세요 — 너무 세면 잿물이 위험하게 튀고, 너무 약하면 증발에 지나치게 오래 걸립니다. 물이 증발하면서 잿물은 검어지고 걸쭉해집니다. 양이 줄면 남겨 둔 잿물을 더 붓고 솥을 대략 절반쯤 차 있게 유지합니다. 큰 분량이라면 몇 시간이고 쉬지 않고 끓여야 합니다.

안전: 끓는 잿물은 튀며, 그 방울과 안개는 부식성이 있습니다. 실외나 환기가 아주 잘되는 곳에서 작업하세요. 보안경과 두꺼운 장갑을 착용하세요. 끓는 잿물 솥을 절대 지켜보지 않은 채 두지 마세요.

물이 증발하면서 액체는 짙은 갈색의 시럽 같은 반죽으로 걸쭉해집니다. 눌어붙지 않도록 불을 줄이세요. 긴 쇠막대나 나무 주걱으로 이따금 저어 줍니다(주걱은 조금씩 그을리지만 한동안은 쓸 수 있습니다). 숟가락으로 그은 자국이 천천히 메워질 만큼 반죽이 되직해지면 증발이 거의 끝난 것입니다. 이 단계의 반죽은 날 "검은 소금" — K₂CO₃에 유기물 찌꺼기, 황산칼륨, 그 밖의 재 광물이 섞인 것입니다.

걸쭉한 반죽을 얕은 쇠 그릇에 옮기거나 평평한 쇠판 위에 펼칩니다. 센 불에서 흐릿한 붉은빛(약 600~700 °C)을 낼 때까지 가열합니다. 날 소금을 검게 만드는 유기물이 이산화탄소와 수증기로 타 버리고, 회백색의 조포타시가 남습니다. 역사적으로 가마솥에서 녹인 검은 소금은 포타시로 팔렸고, 유기물을 태워 없애려고 가마에서 구운 검은 소금은 더 하얗게 나와 펄 애시로 팔렸습니다. 고르게 가열되도록 이따금 저어 주세요. 밝은 붉은빛까지는 올리지 마세요: 탄산칼륨은 약 890 °C에서 녹아, 소금들이 녹아 붙어 다루기 힘든 단단한 덩어리가 됩니다.

그릇을 불에서 내리고 포타시를 완전히 식힙니다 — 고요한 공기 속에서 몇 시간. 결과물은 조포타시: 황산칼륨(K₂SO₄), 염화칼륨(KCl), 실리카, 미량 광물 같은 불순물이 섞인 탄산칼륨(K₂CO₃)의 회백색 가루입니다. 이 조포타시는 더 정제하지 않고도 비료, 유리 융제, 비누 만들기에 쓸 수 있습니다. 밀폐된 마른 용기에 보관하세요 — K₂CO₃는 흡습성이 있어 공기 중의 수분을 빨아들여 축축하고 끈적한 덩어리가 됩니다.

더 하얗고 순도 높은 탄산칼륨을 얻으려면 조포타시를 뜨거운 물에 녹인 뒤, 고운 천으로 걸러 물에 녹지 않는 불순물(실리카, 탄산칼슘, 산화철)을 제거합니다. 거른 액체에는 아직 다른 수용성 염, 주로 황산칼륨과 염화칼륨이 들어 있으므로 더 순수하긴 해도 순수한 K₂CO₃는 아닙니다. 용액을 쇠솥에서 천천히 증발시켜 말립니다. 얻어진 흰 가루는 18세기 교역의 펄 애시에 가깝습니다: 고급 유리, 제빵의 팽창제(베이킹소다 이전), 화학에 쓰인 정제 탄산칼륨이지요. 펄 애시는 조포타시보다 비싸게 팔렸습니다.

포타시는 초기 기술의 거의 모든 분야와 이어져 있습니다. 비누: 포타시 잿물을 기름과 함께 끓이면 무른 비누가 됩니다. 비누 장인들은 흔히 잿물에 소석회를 넣어 탄산염의 일부를 더 부식성이 강한 수산화칼륨으로 바꾸었습니다. 단단한 비누는 대신 식물의 재에서 얻은 소다로 만들었습니다. 유리: 포타시는 융제로 작용해 순수한 실리카의 녹는점(약 1700 °C)보다 훨씬 낮은 온도에서 유리를 녹일 수 있게 합니다. 북유럽의 "숲 유리"(Waldglas)는 나뭇재 포타시를 썼고, 지중해의 유리는 소다(Na₂CO₃)를 썼습니다. 고대에는 나트론에서, 나중에는 소금에 강한 해안 식물의 재에서 얻었지요. 화약: 초석(KNO₃)은 초석 밭에서 나왔습니다. 그곳에서는 썩어 가는 유기물과 토양 세균이 질산염, 주로 질산칼슘을 만들었습니다. 밭에서 침출한 질산염 액은 그 뒤 나뭇재에 통과시키거나 포타시와 섞었고, 포타시가 질산칼슘을 질산칼륨으로 바꾸면서 칼슘을 탄산염으로 가라앉혔습니다. 농업: 칼륨은 N-P-K 비료 체계의 3대 다량 영양소 가운데 하나입니다. 농부의 밭에서 피운 불은 모두, 누구도 그 이유를 알기 훨씬 전부터 흙에 칼륨을 돌려주고 있었습니다.

아랍어 이름 al-qalī에서 1807년 험프리 데이비의 환희까지, 칼륨의 이야기는 화학의 역사를 관통합니다 — 수천 년 동안 알려져 온 유용한 물질이면서, 금속으로 분리된 것은 겨우 200여 년 전의 일입니다.