استخلاص البوتاس من رماد الخشب — العنصر القلوي المختبئ في كل نار

يقع البوتاسيوم (K، العنصر 19) في المجموعة 1 (الفلزات القلوية)، الدورة 4 من الجدول الدوري. كتلته الذرية 39.098 وتوزيعه الإلكتروني [Ar] 4s¹. وكسائر الفلزات القلوية له إلكترون تكافؤ واحد يتخلى عنه بسهولة، ما يجعله شديد التفاعل. الفلز النقي أبيض فضي، لين بما يكفي ليُقطع بسكين الزبدة (صلادة موس 0.4)، وكثافته 0.862 غ/سم³ — ثاني أخف فلز بعد الليثيوم. ينصهر عند 63.5 °م فقط (146 °ف).

يتفاعل البوتاسيوم بعنف مع الماء: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. يشتعل غاز الهيدروجين تلقائيًا ويحترق بلهب ليلكي مميز. ولهذا التفاعل يجب حفظ فلز البوتاسيوم تحت زيت معدني أو غاز خامل، فهو لا يمكن أن يوجد في الطبيعة في صورته الفلزية. وفي القشرة الأرضية لا يوجد البوتاسيوم إلا أيونات K⁺ في معادن مثل الفلسبار (KAlSi₃O₈) والمسكوفيت (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂) والسلفيت (KCl). تمتص النباتات K⁺ من التربة بجذورها، وحين يحترق الخشب يبقى البوتاسيوم في الرماد على هيئة كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃).

اختر الأخشاب الصلبة: البلوط أو الزان أو الدردار أو القيقب أو المُرّان (ash). كانت الأخشاب الصلبة هي أخشاب البوتاس التقليدية في أوروبا وأمريكا الاستعمارية، أما الأخشاب اللينة كالصنوبر والتنّوب والشوح فتخلّف رمادًا أقل. تتفاوت كمية القلوي في الرماد تفاوتًا كبيرًا بحسب نوع الشجرة ونسبة اللحاء والأغصان الصغيرة والتربة التي نمت فيها، فتعامل بحذر مع أي رقم منفرد، وقيّم رمادك أنت بالاختبارين في الخطوتين 11 و12.

يجب أن يكون الخشب جافًا جيدًا (مجففًا في الهواء 6 أشهر على الأقل). الخشب الأخضر يهدر الطاقة في تبخير الرطوبة ويحترق احتراقًا ناقصًا، فيخلّف رمادًا رماديًا مختلطًا بالفحم بدل الرماد الفاتح اللازم لنقع فعّال.

أشعل النار في حفرة نار محمية، فالمطر يجرف البوتاسيوم الذائب قبل أن تجمعه. احرق الخشب الصلب في نار حارة جيدة التهوية. أضف الحطب تدريجيًا، ودع كل حمولة تحترق قبل إضافة المزيد. النار الحارة ذات الهواء الجيد تعطي رمادًا أبيض أو رماديًا فاتحًا، أما النار التي تتّقد ببطء فتعطي رمادًا داكنًا مليئًا بالكربون غير المحترق، وهو أقل فائدة.

واصل الحرق حتى تجمع قدرًا كبيرًا من الرماد — 20–30 لترًا على الأقل لمحصول يُعتدّ به. دع النار تحترق تمامًا حتى تصير رمادًا، وانزع قطع الفحم الكبيرة التي لم تحترق بالكامل. لا يترك الخشب رمادًا إلا جزءًا صغيرًا من وزنه، لذا يتطلب هذا الحجم كمية كبيرة جدًا من الحطب — أكثر بكثير من نار أمسية واحدة؛ ويجمع كثير من الصانعين رماد موقد أو حفرة نار على مدى موسم كامل.

اترك الرماد يبرد 24 ساعة على الأقل، وقلّبه بحثًا عن الجمر قبل نقله، فقد يخفي الرماد جمرًا حيًا أيامًا. يمكن للرماد الساخن أن يسبب حروقًا شديدة ويذيب البلاستيك ويشعل الحرائق. حين يبرد عند لمسه، اغرفه بمجرفة أو مغرفة معدنية إلى دلو معدني جاف. أبقِ الرماد جافًا؛ فإن بلّل المطر كومة الرماد قبل جمعها تسرّب كثير من K₂CO₃ الذائب إلى الأرض وضاع.

مرّر الرماد البارد عبر غربال خشن (فتحات 5–10 مم) لفصل الرماد الناعم عن قطع الفحم والمسامير والحجارة وشظايا الخشب غير المحترقة. المسحوق الناعم الأبيض أو الرمادي الفاتح الذي يمرّ هو مادتك الغنية بالبوتاس. ويمكن حفظ قطع الفحم التي يحتجزها الغربال لاستعمالات أخرى (وقود، ترشيح الماء، تحسين التربة) لكنها تحتوي على قليل جدًا من البوتاسيوم القابل للاستخلاص.

استعمل برميلًا خشبيًا أو دلوًا كبيرًا مثقوبًا قرب قاعه. ضع في قاع البرميل طبقة سميكة (5–8 سم) من القش أو العشب الجاف، فهي تعمل مرشحًا يمنع الرماد الناعم من سدّ فتحة التصريف ومن النفاذ إلى المحلول. يجب أن يكون القش نظيفًا وجافًا. ضع البرميل على منصة مرتفعة (حجارة أو طوب أو حامل خشبي) ليتسع أسفل الفتحة لدلو تجميع.

البراميل الخشبية هي التقليدية؛ فالمحلول القلوي يهاجم الألومنيوم والزنك والقصدير، بينما يقاومه الحديد والفولاذ المقاوم للصدأ. وإن استعملت دلوًا بلاستيكيًا فتأكد أنه من HDPE (رمز إعادة التدوير 2)، المقاوم للمحاليل القلوية.

املأ البرميل بالرماد الأبيض المنخول، وادكّه طبقةً بعد طبقة. اضغط كل طبقة برفق: إن كان مفككًا جدًا سال الماء في قنوات دون أن يذيب كثيرًا من K₂CO₃، وإن كان مضغوطًا جدًا لم يتسرب الماء أبدًا. املأ البرميل حتى 10 سم من حافته، تاركًا مكانًا للماء الذي ستصبّه فوقه. برميل فيه 25–30 لترًا من الرماد الجاف كمية عمل جيدة.

صبّ ماءً يسرًا (قليل الأملاح) ببطء فوق الرماد المدكوك. ماء المطر هو الأمثل: يكاد يخلو من الكالسيوم والمغنيسيوم الذائبين، اللذين كانا سيتفاعلان مع الكربونات ويترسبان قشورًا. يتسرب الماء نزولًا عبر الرماد مذيبًا كربونات البوتاسيوم الذوّابة (K₂CO₃) وكميات أقل من كبريتات البوتاسيوم (K₂SO₄) وكلوريد البوتاسيوم (KCl). تُسمّى هذه العملية النقع أو الاستخلاص بالترشيح (lixiviation).

صبّ قليلًا في كل مرة واتركه يتشرب. إن صببت بسرعة كبيرة سال الماء في قنوات دون أن يلامس ما يكفي من الرماد. السائل الذي يقطر من الأسفل هو محلول القلي (محلول البوتاس)، بنّي اللون بسبب المركبات العضوية الذائبة.

السائل البني المتسرب من البرميل هو محلول القلي الخام — محلول قلوي لكربونات البوتاسيوم في الماء. اجمعه في دلو نظيف (خشبي أو من بلاستيك HDPE أو حديدي — ولا تستعمل أبدًا الألومنيوم أو الزنك أو القصدير، فالقلي يهاجمها). الدفعات الأولى هي الأقوى، والصبّات اللاحقة تعطي محلولًا أضعف فأضعف كلما نفد البوتاسيوم الذائب من الرماد.

السلامة: ارتدِ واقيًا للعينين وقفازين عند التعامل مع القلي. محلول البوتاس قلوي قوي (عادةً pH 11–13) ويسبب حروقًا كيميائية للجلد والعينين. إن تناثر على الجلد أو في العين فاغسل فورًا بكمية وفيرة من الماء النظيف الجاري لمدة 15 دقيقة على الأقل، واطلب المساعدة الطبية إن أصاب العين. لا تضع الخل أو أي حمض آخر في العين، واحتفظ بدلو ماء نظيف في متناول يدك.

أعد صبّ محلول القلي الذي جمعته عبر برميل الرماد نفسه مرة ثانية وثالثة. كل مرور يذيب مزيدًا من K₂CO₃ ويرفع التركيز. أو صبّ القلي من البرميل الأول عبر برميل ثانٍ فيه رماد جديد. كثيرًا ما كان منتجو البوتاس قديمًا يشغّلون سلاسل متدرجة من البراميل، يمررون فيها القلي عبر رماد أحدث فأحدث لتركيزه قبل التبخير، فيوفرون الوقود لأن الغلي يبدأ بمحلول مركّز أصلًا.

اغمس طرف ريشة في محلول القلي. هذا اختبار تقليدي لصانعي الصابون: المحلول القوي بما يكفي لصنع الصابون يأكل شعيرات الريشة على نحو ظاهر، لأن الكيراتين يتحلل في القلوي القوي. إنه اختبار تقريبي ونوعي، يخبرك إن كان المحلول قويًا لا بمقدار قوته. إن لم تتغير الريشة فالمحلول ضعيف جدًا ويحتاج إلى مرور آخر عبر رماد جديد أو إلى بعض التبخير قبل خطوة الغلي.

ضع بيضة طازجة نظيفة برفق في المحلول. هذا اختبار تقليدي آخر: حين يصبح المحلول كثيفًا بما يكفي تطفو البيضة وقد ظهر من قشرتها جزء بحجم قطعة نقدية فوق السطح. إن غاصت البيضة فالمحلول يحتاج إلى مزيد من التركيز — مرّره عبر مزيد من الرماد أو ابدأ تبخيرًا أوليًا لتقليل الحجم. تتغير كثافة البيض مع تقادمه، فاستعمل بيضة طازجة واعتبر النتيجة دليلًا تقريبيًا.

انقل المحلول المركّز إلى قدر أو مرجل كبير من الحديد الزهر. يقاوم الحديد محلول البوتاس، بينما يذوب الألومنيوم فيه بسرعة ويتآكل الزنك والقصدير، لذا استعمل الحديد. كانت مراجل البوتاس الحديدية الكبيرة الوعاء المعتاد في تجارة البوتاس في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. ومن القدر جاءت الكلمة: «pot-ash» هي البقايا الشبيهة بالرماد التي تبقى في القدر بعد هذا التبخير.

ضع القدر الحديدية على نار ثابتة واغلِ المحلول غليانًا شديدًا. حافظ على حرارة منتظمة: إن اشتدت تطاير المحلول على نحو خطر، وإن ضعفت طال التبخير كثيرًا. ومع تبخر الماء يدكن المحلول ويثخن. أضف من المحلول المحفوظ كلما نقص الحجم، مع إبقاء القدر ممتلئة إلى نحو نصفها. تحتاج الدفعة الكبيرة إلى ساعات طويلة من الغلي المتواصل.

السلامة: المحلول المغلي يتطاير، ورذاذه وضبابه كاويان. اعمل في الهواء الطلق أو في مكان جيد التهوية جدًا. ارتدِ واقيًا للعينين وقفازين سميكين. لا تترك قدر القلي المغلي دون مراقبة أبدًا.

مع تبخر الماء يثخن السائل ويصير عجينة بنية داكنة تشبه الشراب. خفّف النار كي لا يحترق. حرّك من حين لآخر بقضيب حديدي طويل أو مجداف خشبي (سيتفحم المجداف ببطء لكنه يصلح لمدة قصيرة). حين تصبح العجينة كثيفة إلى حد أن الملعقة المسحوبة عبرها تترك أثرًا يمتلئ ببطء، يكون التبخير قد أوشك على الانتهاء. في هذه المرحلة تكون العجينة «الأملاح السوداء» الخام — خليطًا من K₂CO₃ مع بقايا عضوية وكبريتات البوتاسيوم ومعادن الرماد الأخرى.

انقل العجينة الكثيفة إلى وعاء حديدي ضحل أو افردها على سطح حديدي مستوٍ. سخّنها على نار قوية حتى تبلغ توهجًا أحمر خافتًا (نحو 600–700 °م). تحترق المركبات العضوية التي تعطي الأملاح الخام لونها الداكن متحولةً إلى ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، ويبقى بوتاس خام أبيض مائل إلى الرمادي. تاريخيًا كانت الأملاح السوداء التي تُصهر في المرجل تُباع بوتاسًا، أما التي تُحمّص في فرن لإحراق المادة العضوية فكانت تخرج أكثر بياضًا وتُباع رمادَ لؤلؤ (pearl ash). حرّك من حين لآخر ليتجانس التسخين. ابقَ دون الاحمرار الساطع: تنصهر كربونات البوتاسيوم عند نحو 890 °م، فتندمج الأملاح في كتلة صلبة يصعب التعامل معها.

ارفع الوعاء عن النار ودع البوتاس يبرد تمامًا — عدة ساعات في هواء ساكن. الناتج بوتاس خام: مسحوق أبيض رمادي من كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃) فيه شوائب مثل كبريتات البوتاسيوم (K₂SO₄) وكلوريد البوتاسيوم (KCl) والسيليكا ومعادن ضئيلة. يمكن استعمال هذا البوتاس الخام سمادًا ومادة مُصهِرة لصنع الزجاج ولصنع الصابون دون تنقية إضافية. احفظه في وعاء جاف محكم الإغلاق، فـ K₂CO₃ مادة مسترطبة تمتص رطوبة الهواء حتى تصير كتلة مبتلة لزجة.

للحصول على كربونات بوتاسيوم أشد بياضًا ونقاءً، أذب البوتاس الخام في ماء ساخن ثم رشّحه عبر قماش ناعم لإزالة الشوائب غير الذائبة (السيليكا وكربونات الكالسيوم وأكاسيد الحديد). ما زال الراشح يحمل الأملاح الذائبة الأخرى، ولا سيما كبريتات البوتاسيوم وكلوريد البوتاسيوم، فهو أنقى لكنه ليس K₂CO₃ نقيًا. بخّر المحلول ببطء في قدر حديدية حتى يجف. المسحوق الأبيض الناتج قريب من رماد اللؤلؤ في تجارة القرن الثامن عشر: كربونات بوتاسيوم منقّاة استُعملت في الزجاج الفاخر وخميرةً في الخَبز (قبل بيكربونات الصوديوم) وفي الكيمياء. وكان رماد اللؤلؤ يُباع بسعر أعلى من البوتاس الخام.

يرتبط البوتاس بكل فروع التقنية المبكرة تقريبًا. الصابون: محلول البوتاس المغلي مع الدهن يعطي صابونًا لينًا، وكثيرًا ما أضاف صانعو الصابون الجير المطفأ إلى المحلول لتحويل جزء من الكربونات إلى هيدروكسيد البوتاسيوم الأشد كاويةً. أما الصابون الصلب فكان يُصنع بالصودا المستخرجة من رماد النباتات. الزجاج: يعمل البوتاس مادةً مُصهِرة تتيح صهر الزجاج عند درجة أدنى بكثير من درجة انصهار السيليكا النقية (نحو 1700 °م). استعمل «زجاج الغابة» (Waldglas) في شمال أوروبا بوتاس رماد الخشب، واستعمل زجاج البحر المتوسط الصودا (Na₂CO₃)، من النطرون في العصور القديمة ثم من رماد نباتات ساحلية تتحمل الملوحة. البارود: كان ملح البارود (KNO₃) يأتي من أحواض النترات، حيث تنتج المادة العضوية المتحللة وبكتيريا التربة نترات، معظمها نترات الكالسيوم. ثم كان سائل النترات المستخلص من الأحواض يُمرَّر عبر رماد الخشب أو يُخلط بالبوتاس، فيحوّل نترات الكالسيوم إلى نترات البوتاسيوم ويُرسّب الكالسيوم كربوناتٍ. الزراعة: البوتاسيوم أحد العناصر الكبرى الثلاثة في نظام الأسمدة N-P-K. وكل نار في حقل فلاح كانت تعيد البوتاسيوم إلى التربة قبل أن يفهم أحد السبب بزمن طويل.

من الاسم العربي «القِلْي» إلى فرحة همفري ديفي عام 1807، تمر قصة البوتاسيوم عبر تاريخ الكيمياء — مادة نافعة عُرفت منذ آلاف السنين، ولم تُعزل فلزًا إلا قبل ما يزيد قليلًا على قرنين.