Добыча поташа из древесной золы — щелочной элемент, скрытый в каждом костре

Калий (K, элемент 19) находится в группе 1 (щелочные металлы), 4-м периоде периодической таблицы. Его атомная масса 39,098, электронная конфигурация [Ar] 4s¹. Как все щелочные металлы, он имеет один валентный электрон, который легко отдаёт, и поэтому чрезвычайно активен. Чистый металл серебристо-белый, настолько мягкий, что режется ножом для масла (твёрдость по Моосу 0,4), и имеет плотность 0,862 г/см³ — второй по лёгкости металл после лития. Плавится уже при 63,5 °C (146 °F).

Калий бурно реагирует с водой: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. Водород самовоспламеняется и горит характерным сиреневым пламенем. Из-за этой реакции металлический калий хранят под минеральным маслом или в инертном газе — в природе в металлическом виде он существовать не может. В земной коре калий встречается только в виде ионов K⁺ в минералах, таких как полевой шпат (KAlSi₃O₈), мусковит (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂) и сильвин (KCl). Растения поглощают K⁺ из почвы корнями; когда древесина сгорает, калий остаётся в золе в виде карбоната калия (K₂CO₃).

Выбирайте твёрдые лиственные породы: дуб, бук, вяз, клён или ясень. Именно лиственная древесина традиционно шла на поташ в Европе и колониальной Америке; хвойные породы — сосна, ель, пихта — дают меньше золы. Содержание щёлочи в золе сильно зависит от породы, доли коры и веток и почвы, на которой росло дерево, поэтому с осторожностью относитесь к любой отдельной цифре и оценивайте свою золу пробами из шагов 11 и 12.

Древесина должна быть хорошо просушена (на воздухе не менее 6 месяцев). Сырые дрова тратят энергию на испарение влаги и сгорают не полностью, оставляя серую золу вперемешку с углём вместо светлой золы, нужной для эффективного выщелачивания.

Разведите огонь в защищённом кострище — дождь вымоет растворимый калий раньше, чем вы успеете его собрать. Сжигайте лиственные дрова в жарком, хорошо продуваемом огне. Подкладывайте дрова постепенно, давая каждой закладке прогореть. Жаркий огонь с хорошей тягой даёт белую или светло-серую золу; тлеющий — тёмную золу, полную несгоревшего углерода, от которой меньше толку.

Продолжайте жечь, пока не наберёте значительный объём золы — не меньше 20–30 литров для заметного выхода. Дайте огню полностью прогореть в золу; уберите крупные куски угля, которые не догорели. Древесина оставляет в виде золы лишь малую долю своего веса, поэтому такой объём требует очень много дров — гораздо больше одного вечернего костра; многие мейкеры копят золу из печи или кострища целый сезон.

Дайте золе остывать не меньше 24 часов и перед переноской переворошите её в поисках тлеющих углей: зола может скрывать живые угли по нескольку дней. Горячая зола может вызвать тяжёлые ожоги, расплавить пластик и стать причиной пожара. Когда она станет холодной на ощупь, пересыпьте её металлической лопатой или совком в сухое металлическое ведро. Держите золу сухой — если дождь намочит кучу до сбора, большая часть растворимого K₂CO₃ уйдёт в землю и пропадёт.

Пропустите остывшую золу через крупное сито (ячейка 5–10 мм), чтобы отделить мелкую золу от кусков угля, гвоздей, камней и несгоревших обломков дерева. Мелкий белый или светло-серый порошок, прошедший сквозь сито, — ваше богатое поташом сырьё. Оставшиеся в сите куски угля можно сохранить для других целей (топливо, фильтрация воды, улучшение почвы), но извлекаемого калия в них очень мало.

Возьмите деревянную бочку или большое ведро с отверстием у дна. Положите на дно толстый слой (5–8 см) соломы или сухой травы — он служит фильтром, чтобы мелкая зола не забивала сливное отверстие и не попадала в щёлок. Солома должна быть чистой и сухой. Поставьте бочку на возвышение (камни, кирпичи или деревянную подставку), чтобы под сливным отверстием поместилось ведро.

Деревянные бочки традиционны; щёлок разъедает алюминий, цинк и олово, а железо и нержавеющая сталь ему противостоят. Если используете пластиковое ведро, убедитесь, что оно из ПНД (HDPE, код переработки 2), стойкого к щелочным растворам.

Наполните бочку просеянной белой золой, уплотняя её слоями. Утрамбовывайте каждый слой слегка: слишком рыхлая зола — и вода пойдёт каналами, растворив мало K₂CO₃; слишком плотная — и вода вообще не просочится. Заполните бочку до 10 см от края, оставив место для воды, которую будете лить сверху. Бочка с 25–30 литрами сухой золы — хороший рабочий объём.

Медленно лейте мягкую воду на утрамбованную золу. Лучше всего дождевая: в ней почти нет растворённого кальция и магния, которые прореагировали бы с карбонатом и осели накипью. Вода просачивается вниз сквозь золу, растворяя растворимый карбонат калия (K₂CO₃) и меньшие количества сульфата калия (K₂SO₄) и хлорида калия (KCl). Этот процесс называется выщелачиванием.

Лейте понемногу и давайте впитаться. Если лить слишком быстро, вода пойдёт каналами, не соприкасаясь с достаточным количеством золы. Жидкость, капающая снизу, — это щёлок (раствор поташа), бурый от растворённых органических веществ.

Бурая жидкость, стекающая из бочки, — ваш сырой щёлок, щелочной раствор карбоната калия в воде. Собирайте его в чистое ведро (деревянное, из пластика HDPE или железное — никогда не алюминиевое, цинковое или луженое: щёлок их разъедает). Первые порции самые крепкие; последующие поливы дают всё более слабый щёлок по мере того, как зола теряет растворимый калий.

БЕЗОПАСНОСТЬ: при работе со щёлоком надевайте защитные очки и перчатки. Поташный щёлок сильно щелочной (обычно pH 11–13) и вызывает химические ожоги кожи и глаз. Если он попал на кожу или в глаз, сразу промывайте большим количеством чистой проточной воды не менее 15 минут, а при попадании в глаз обратитесь к врачу. Не лейте в глаз уксус или другие кислоты; держите под рукой ведро чистой воды.

Пролейте собранный щёлок через ту же бочку с золой второй и третий раз. Каждый проход растворяет больше K₂CO₃ и повышает концентрацию. Можно также пролить щёлок из первой бочки через вторую бочку со свежей золой. Поташники прошлого часто работали каскадом бочек, пропуская щёлок через всё более свежую золу, чтобы усилить его перед выпариванием, — это экономило топливо, потому что варка начиналась с уже крепкого щёлока.

Опустите кончик пера в щёлок. Это традиционная проба мыловаров: щёлок, достаточно крепкий для варки мыла, заметно разъедает бородки пера, потому что кератин разрушается в сильной щёлочи. Проба грубая и качественная — она показывает, крепок ли щёлок, но не насколько. Если перо не меняется, щёлок слишком слаб: пропустите его ещё раз через свежую золу или немного выпарьте перед варкой.

Осторожно опустите в щёлок свежее чистое яйцо. Это ещё одна традиционная проба: когда щёлок достаточно плотный, яйцо всплывает так, что над поверхностью виден участок скорлупы размером с монету. Если яйцо тонет, щёлок надо сгущать дальше — пропустите его через дополнительную золу или начните предварительное выпаривание, чтобы уменьшить объём. Плотность яиц меняется с возрастом, поэтому берите свежее и считайте результат ориентиром.

Перелейте концентрированный щёлок в большой чугунный котёл или казан. Железо стойко к поташному щёлоку, а алюминий быстро в нём растворяется, цинк и олово корродируют, поэтому используйте железо. Большие железные поташные котлы были обычной посудой поташного промысла в XVIII–XIX веках. Горшок дал нам слово: «pot-ash» — это похожий на золу остаток в горшке после этого выпаривания.

Поставьте железный котёл на ровный огонь и доведите щёлок до бурного кипения. Держите нагрев постоянным: слишком сильный — щёлок опасно брызжет; слишком слабый — выпаривание тянется чрезмерно долго. По мере испарения воды щёлок темнеет и густеет. Подливайте щёлок из запаса, когда объём уменьшается, держа котёл примерно наполовину полным. Для большой партии это многие часы непрерывного кипячения.

БЕЗОПАСНОСТЬ: кипящий щёлок брызжет, а брызги и пар с каплями едкие. Работайте на улице или в очень хорошо проветриваемом месте. Надевайте защитные очки и толстые перчатки. Никогда не оставляйте кипящий щёлок без присмотра.

По мере испарения воды жидкость густеет в тёмно-бурую сиропообразную пасту. Уменьшите огонь, чтобы не пригорело. Время от времени помешивайте длинным железным прутом или деревянной лопаткой (лопатка понемногу обугливается, но какое-то время служит). Когда паста станет такой густой, что след от проведённой ложки затягивается медленно, выпаривание почти закончено. На этом этапе паста — это сырые «чёрные соли»: смесь K₂CO₃ с органическими остатками, сульфатом калия и другими минералами золы.

Переложите густую пасту в неглубокую железную посуду или размажьте на плоской железной поверхности. Нагревайте её на сильном огне до тёмно-красного каления (примерно 600–700 °C). Органические вещества, придающие сырым солям тёмный цвет, сгорают в углекислый газ и водяной пар, оставляя серовато-белый сырой поташ. Исторически чёрные соли, сплавленные в котле, продавали как поташ, а прокалённые в печи для выжигания органики выходили белее и продавались как перлаш. Время от времени помешивайте для равномерного нагрева. Не доводите до яркого каления: карбонат калия плавится около 890 °C, и соли сплавились бы в твёрдый ком, с которым трудно работать.

Снимите посуду с огня и дайте поташу полностью остыть — несколько часов в спокойном воздухе. В результате получится сырой поташ: серовато-белый порошок карбоната калия (K₂CO₃) с примесями сульфата калия (K₂SO₄), хлорида калия (KCl), кремнезёма и микроэлементов. Такой сырой поташ можно без дальнейшей очистки использовать как удобрение, флюс для стекла и для мыловарения. Храните его в сухой плотно закрытой посуде: K₂CO₃ гигроскопичен и тянет влагу из воздуха, превращаясь в мокрую липкую массу.

Чтобы получить более белый и чистый карбонат калия, растворите сырой поташ в горячей воде и профильтруйте через тонкую ткань, удалив нерастворимые примеси (кремнезём, карбонат кальция, оксиды железа). Фильтрат всё ещё содержит другие растворимые соли, в основном сульфат и хлорид калия, поэтому он чище, но это не чистый K₂CO₃. Медленно выпарьте раствор досуха в железном котле. Белый порошок близок к перлашу торговли XVIII века: очищенному карбонату калия, который шёл на тонкое стекло, служил разрыхлителем в выпечке (до пищевой соды) и применялся в химии. Перлаш стоил дороже сырого поташа.

Поташ связан почти со всеми отраслями ранней техники. Мыло: поташный щёлок, сваренный с жиром, даёт жидкое (мягкое) мыло; мыловары часто добавляли в щёлок гашёную известь, чтобы превратить часть карбоната в более едкий гидроксид калия. Твёрдое мыло делали из соды, полученной из золы растений. Стекло: поташ служит флюсом и позволяет плавить стекло намного ниже температуры плавления чистого кремнезёма (около 1700 °C). «Лесное стекло» (Waldglas) Северной Европы варили на поташе из древесной золы; средиземноморское стекло — на соде (Na₂CO₃), в древности из натрона, позже из золы солеустойчивых прибрежных растений. Порох: селитру (KNO₃) получали из селитряниц, где гниющая органика и почвенные бактерии образовывали нитраты, в основном кальциевые. Выщелоченный из буртов нитратный раствор затем пропускали через древесную золу или смешивали с поташем, который превращал нитрат кальция в нитрат калия и осаждал кальций в виде карбоната. Земледелие: калий — один из трёх макроэлементов системы удобрений N-P-K. Каждый костёр на крестьянском поле возвращал калий в почву задолго до того, как кто-то понял почему.

От арабского al-qalī до радости Хамфри Дэви в 1807 году история калия проходит через всю историю химии: полезное вещество, известное тысячелетиями и выделенное как металл лишь немногим более двух веков назад.