Добування поташу з деревного попелу — лужний елемент, схований у кожному вогні

Калій (K, елемент 19) розташований у групі 1 (лужні метали), 4-му періоді періодичної таблиці. Його атомна маса 39,098, електронна конфігурація [Ar] 4s¹. Як усі лужні метали, він має один валентний електрон, який легко віддає, тому надзвичайно активний. Чистий метал сріблясто-білий, такий м'який, що ріжеться ножем для масла (твердість за Моосом 0,4), і має густину 0,862 г/см³ — другий за легкістю метал після літію. Плавиться вже за 63,5 °C (146 °F).

Калій бурхливо реагує з водою: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. Водень самозаймається й горить характерним бузковим полум'ям. Через цю реакцію металевий калій зберігають під мінеральною олією або в інертному газі — у природі в металевому вигляді він існувати не може. У земній корі калій трапляється лише у вигляді йонів K⁺ у мінералах, як-от польовий шпат (KAlSi₃O₈), мусковіт (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂) і сильвін (KCl). Рослини поглинають K⁺ з ґрунту корінням; коли деревина згоряє, калій лишається в попелі у вигляді карбонату калію (K₂CO₃).

Обирайте тверді листяні породи: дуб, бук, в'яз, клен або ясен. Саме листяна деревина традиційно йшла на поташ у Європі та колоніальній Америці; хвойні породи — сосна, ялина, ялиця — дають менше попелу. Вміст лугу в попелі дуже залежить від породи, частки кори й гілочок і ґрунту, на якому росло дерево, тож з обережністю ставтеся до будь-якої окремої цифри й оцінюйте свій попіл пробами з кроків 11 і 12.

Деревина має бути добре висушена (на повітрі щонайменше 6 місяців). Сирі дрова витрачають енергію на випаровування вологи й згоряють не повністю, лишаючи сірий попіл, змішаний з вугіллям, замість світлого попелу, потрібного для ефективного вилуговування.

Розпаліть вогонь у захищеному вогнищі — дощ вимиє розчинний калій раніше, ніж ви встигнете його зібрати. Паліть листяні дрова у жаркому, добре провітрюваному вогні. Докладайте дрова поступово, даючи кожній закладці прогоріти. Жаркий вогонь із добрим тягом дає білий або світло-сірий попіл; тліючий — темний попіл, повний незгорілого вуглецю, з якого менше пуття.

Паліть далі, доки не наберете значний об'єм попелу — щонайменше 20–30 літрів для помітного виходу. Дайте вогню повністю прогоріти на попіл; приберіть великі шматки вугілля, що не догоріли. Деревина лишає у вигляді попелу лише малу частку своєї ваги, тож такий об'єм потребує дуже багато дров — набагато більше за одне вечірнє багаття; багато мейкерів збирають попіл із печі чи вогнища цілий сезон.

Дайте попелу охолонути щонайменше 24 години і перед перенесенням поворушіть його, шукаючи жарини: попіл може ховати живий жар кілька днів. Гарячий попіл може спричинити тяжкі опіки, розплавити пластик і стати причиною пожежі. Коли він стане холодним на дотик, пересипте його металевою лопатою чи совком у сухе металеве відро. Тримайте попіл сухим — якщо дощ намочить купу до збирання, більша частина розчинного K₂CO₃ піде в землю й пропаде.

Пропустіть охололий попіл крізь велике сито (комірка 5–10 мм), щоб відокремити дрібний попіл від шматків вугілля, цвяхів, каміння й незгорілих уламків деревини. Дрібний білий чи світло-сірий порошок, що пройшов крізь сито, — ваша багата на поташ сировина. Шматки вугілля, що лишилися в ситі, можна зберегти для інших потреб (паливо, фільтрування води, поліпшення ґрунту), але калію, який можна видобути, у них дуже мало.

Візьміть дерев'яну бочку або велике відро з отвором біля дна. Покладіть на дно товстий шар (5–8 см) соломи чи сухої трави — він слугує фільтром, щоб дрібний попіл не забивав зливний отвір і не потрапляв у луг. Солома має бути чистою й сухою. Поставте бочку на підвищення (каміння, цегла або дерев'яна підставка), щоб під зливним отвором помістилося відро.

Дерев'яні бочки традиційні; луг роз'їдає алюміній, цинк і олово, а залізо й нержавна сталь йому протистоять. Якщо використовуєте пластикове відро, переконайтеся, що воно з ПЕНГ (HDPE, код переробки 2), стійкого до лужних розчинів.

Наповніть бочку просіяним білим попелом, ущільнюючи його шарами. Трамбуйте кожен шар злегка: надто пухкий попіл — і вода піде каналами, розчинивши мало K₂CO₃; надто щільний — і вода взагалі не просочиться. Заповніть бочку до 10 см від краю, лишивши місце для води, яку ллятимете згори. Бочка з 25–30 літрами сухого попелу — добрий робочий об'єм.

Повільно лийте м'яку воду на утрамбований попіл. Найкраща дощова: у ній майже немає розчиненого кальцію й магнію, які прореагували б із карбонатом і осіли накипом. Вода просочується вниз крізь попіл, розчиняючи розчинний карбонат калію (K₂CO₃) і менші кількості сульфату калію (K₂SO₄) та хлориду калію (KCl). Цей процес називають вилуговуванням.

Лийте потроху й давайте вбратися. Якщо лити надто швидко, вода піде каналами, не торкаючись достатньої кількості попелу. Рідина, що капає знизу, — це луг (розчин поташу), бурий від розчинених органічних речовин.

Бура рідина, що стікає з бочки, — ваш сирий луг, лужний розчин карбонату калію у воді. Збирайте його в чисте відро (дерев'яне, з пластику HDPE або залізне — ніколи не алюмінієве, цинкове чи луджене: луг їх роз'їдає). Перші порції найміцніші; наступні поливи дають дедалі слабший луг, бо попіл втрачає розчинний калій.

БЕЗПЕКА: працюючи з лугом, надягайте захисні окуляри й рукавички. Поташний луг сильно лужний (зазвичай pH 11–13) і спричиняє хімічні опіки шкіри та очей. Якщо він потрапив на шкіру чи в око, одразу промивайте великою кількістю чистої проточної води щонайменше 15 хвилин, а в разі потрапляння в око зверніться до лікаря. Не лийте в око оцет чи інші кислоти; тримайте під рукою відро чистої води.

Пролийте зібраний луг крізь ту саму бочку з попелом удруге й утретє. Кожен прохід розчиняє більше K₂CO₃ і підвищує концентрацію. Можна також пролити луг із першої бочки крізь другу бочку зі свіжим попелом. Поташники минулого часто працювали каскадом бочок, пропускаючи луг крізь дедалі свіжіший попіл, щоб посилити його перед випарюванням, — це заощаджувало паливо, бо варіння починалося з уже міцного лугу.

Занурте кінчик пір'їни в луг. Це традиційна проба миловарів: луг, достатньо міцний для варіння мила, помітно роз'їдає борідки пір'їни, бо кератин руйнується в сильному лузі. Проба груба і якісна — вона показує, чи міцний луг, але не наскільки. Якщо пір'їна не змінюється, луг надто слабкий: пропустіть його ще раз крізь свіжий попіл або трохи випаріть перед варінням.

Обережно опустіть у луг свіже чисте яйце. Це ще одна традиційна проба: коли луг достатньо густий, яйце спливає так, що над поверхнею видно ділянку шкаралупи завбільшки з монету. Якщо яйце тоне, луг треба згущувати далі — пропустіть його крізь додатковий попіл або почніть попереднє випарювання, щоб зменшити об'єм. Густина яєць змінюється з віком, тож беріть свіже й вважайте результат орієнтиром.

Перелийте концентрований луг у великий чавунний казан або котел. Залізо стійке до поташного лугу, а алюміній швидко в ньому розчиняється, цинк і олово кородують, тож використовуйте залізо. Великі залізні поташні котли були звичайним посудом поташного промислу у XVIII–XIX століттях. Горщик дав нам слово: «pot-ash» — це схожий на попіл залишок у горщику після цього випарювання.

Поставте залізний казан на рівний вогонь і доведіть луг до бурхливого кипіння. Тримайте нагрів сталим: надто сильний — луг небезпечно бризкає; надто слабкий — випарювання тягнеться надміру довго. У міру випаровування води луг темнішає й густішає. Підливайте луг із запасу, коли об'єм зменшується, тримаючи казан приблизно наполовину повним. Для великої партії це багато годин безперервного кипіння.

БЕЗПЕКА: киплячий луг бризкає, а бризки й туман із краплями їдкі. Працюйте надворі або в дуже добре провітрюваному місці. Надягайте захисні окуляри й товсті рукавички. Ніколи не лишайте киплячий луг без нагляду.

У міру випаровування води рідина густішає до темно-бурої, схожої на сироп пасти. Зменште вогонь, щоб не пригоріло. Час від часу помішуйте довгим залізним прутом або дерев'яною лопаткою (лопатка поволі обвуглюється, але якийсь час служить). Коли паста стане такою густою, що слід від проведеної ложки затягується повільно, випарювання майже закінчене. На цьому етапі паста — це сирі «чорні солі»: суміш K₂CO₃ з органічними залишками, сульфатом калію та іншими мінералами попелу.

Перекладіть густу пасту в неглибокий залізний посуд або розмажте на пласкій залізній поверхні. Нагрівайте її на сильному вогні до темно-червоного жару (приблизно 600–700 °C). Органічні речовини, що надають сирим солям темного кольору, згоряють на вуглекислий газ і водяну пару, лишаючи сірувато-білий сирий поташ. Історично чорні солі, сплавлені в котлі, продавали як поташ, а прожарені в печі для випалювання органіки виходили білішими й продавалися як перлаш. Час від часу помішуйте для рівномірного нагріву. Не доводьте до яскравого жару: карбонат калію плавиться близько 890 °C, і солі сплавилися б у твердий кавалок, з яким важко працювати.

Зніміть посуд із вогню й дайте поташу повністю охолонути — кілька годин у спокійному повітрі. Результат — сирий поташ: сірувато-білий порошок карбонату калію (K₂CO₃) з домішками сульфату калію (K₂SO₄), хлориду калію (KCl), кремнезему й мікроелементів. Такий сирий поташ можна без подальшого очищення використовувати як добриво, флюс для скла і для миловаріння. Зберігайте його в сухому щільно закритому посуді: K₂CO₃ гігроскопічний і тягне вологу з повітря, перетворюючись на мокру липку масу.

Щоб отримати біліший і чистіший карбонат калію, розчиніть сирий поташ у гарячій воді й профільтруйте крізь тонку тканину, видаливши нерозчинні домішки (кремнезем, карбонат кальцію, оксиди заліза). Фільтрат досі містить інші розчинні солі, переважно сульфат і хлорид калію, тож він чистіший, але це не чистий K₂CO₃. Повільно випаріть розчин досуха в залізному казані. Білий порошок близький до перлашу торгівлі XVIII століття: очищеного карбонату калію, що йшов на тонке скло, слугував розпушувачем у випічці (до харчової соди) і застосовувався в хімії. Перлаш коштував дорожче за сирий поташ.

Поташ пов'язаний майже з усіма галузями ранньої техніки. Мило: поташний луг, зварений із жиром, дає рідке (м'яке) мило; миловари часто додавали до лугу гашене вапно, щоб перетворити частину карбонату на їдкіший гідроксид калію. Тверде мило робили із соди, отриманої з попелу рослин. Скло: поташ слугує флюсом і дає змогу плавити скло значно нижче температури плавлення чистого кремнезему (близько 1700 °C). «Лісове скло» (Waldglas) Північної Європи варили на поташі з деревного попелу; середземноморське скло — на соді (Na₂CO₃), у давнину з натрону, згодом із попелу солестійких прибережних рослин. Порох: селітру (KNO₃) отримували із селітряниць, де гниюча органіка й ґрунтові бактерії утворювали нітрати, переважно кальцієві. Вилугуваний із буртів нітратний розчин потім пропускали крізь деревний попіл або змішували з поташем, який перетворював нітрат кальцію на нітрат калію й осаджував кальцій у вигляді карбонату. Хліборобство: калій — один із трьох макроелементів системи добрив N-P-K. Кожне вогнище на селянському полі повертало калій у ґрунт задовго до того, як хтось зрозумів чому.

Від арабського al-qalī до радості Гемфрі Деві 1807 року історія калію проходить крізь усю історію хімії: корисна речовина, відома тисячоліттями й виділена як метал лише трохи більше двох століть тому.