تولید قلیا به روش قرن هجده

تولید قلیا به روش قرن هجده یکی از روش‌های سنتی و پایه‌ای در ساخت صابون‌ های گیاهی است که بر استفاده از پتاس طبیعی تمرکز دارد. در این روش، قلیا از خاکستر چوب به دست می‌آید که منبع غنی پتاس است و به عنوان یک عامل قلیایی اصلی در فرآیند صابون‌ سازی عمل می‌کند. برای علاقه‌مندان به ساخت صابون گیاهی، آشنایی با این تکنیک اهمیت دارد، زیرا استفاده از پتاس طبیعی می‌تواند منجر به تولید صابون‌های نرم و ملایم شود که برای پوست‌های حساس مناسب‌تر هستند. علاوه بر این، درک این فرآیند سنتی به سازندگان کمک می‌کند تا محصولات دست‌ساز خود را با اصالت بیشتری تولید کنند و از ترکیبات طبیعی و غیرشیمیایی بهره‌مند شوند.

پتاس، ماده خام ضروری قرن هجدهم، قبلاً از خاکستر گیاهان تولید می شد. از دوران باستان شناخته شده بود، در سال 1807 بود که هامفری دیوی به بحث و جدل چندین دهه در مورد ماهیت آن به عنوان یک ترکیب پایان داد. فناوری تولید پتاس توسط طبیعت‌شناس پرتغالی Frei Velloso در برزیل پیاده‌سازی شد. مراحل تولید پتاس و مشکلات و مناقشات مربوط به ترکیب آن، این مطالعه موردی را به ابزاری مناسب برای آموزش تاریخ شیمی تبدیل کرده است. نتایج نشان داد که تولید پتاس از خاکستر زمینه مناسبی را برای آموزش عملکرد استخراج عملی، شناسایی کربنات و تعیین pH فراهم می‌کند.

مقدمه ای بر تولید پتاس

پتاس (Potash) مسلماً مهمترین محصول شیمیایی صنعتی در قرن هجدهم بود که به عنوان قلیای تثبیت شده گیاهی (vegetable fixed alkali) نیز شناخته می شد. به دلیل خواص اساسی آن، پتاس برای ساخت باروت (gunpowder) و شیشه (glasses)، در تهیه داروها و رنگ‌ها، در تولید منسوجات و شکر، و همچنین در سفید کردن کاغذ (bleaching of paper) ضروری بود.

در آن دوره، اصطلاح پتاس را می‌توان برای توصیف آنچه امروزه کربنات پتاسیم (K2CO3)، بی‌کربنات پتاسیم (KHCO3)، اکسید پتاسیم (K2O) یا پتاسیم هیدروکسید (KOH) می‌نامیم، استفاده کرد. KOH پتاس سوز آور (caustic potash) نامیده می شد. به گفته برگمن (Bergman) (1735-1784)، واژه پتاس ترکیبی از واژه‌های pot (دیگ) و ash (به معنای خاکستر) است که از روش استخراج آن از خاکستر در دیگ‌های آهنی سرچشمه می‌گیرد.

در قرن هجدهم، بحث بر این بود که آیا پتاس یک ماده ساده (simple) یا ترکیب (compound substance) است. برای مثال، لاووازیه (Lavoisier)، پتاس را در «جدول مواد ساده» خود وارد نکرد، در حالی که جین مارست (Jane Marcet) اذعان داشت که علیرغم شواهدی که نشان می‌دهد پتاس باید یک ماده مرکب باشد، تا آن لحظه تجزیه (decomposed) نشده بود و باید به عنوان یک ماده ساده طبقه‌بندی شود.

به محض اینکه پتاس به عنوان یک ترکیب شناخته شد، نظرات مختلفی در مورد ترکیب شیمیایی پتاس پدیدار شد، مانند نظرات Guyton de Morveau و همکارانش، که ادعا کردند این ترکیب از آهک و هیدروژن تشکیل شده است. هامفری دیوی، قبل از انجام آزمایشاتی که منجر به تجزیه پتاس توسط الکترولیز (electrolysis) می شود، اظهار داشت که پتاس ترکیبی از نیتروژن (nitrogen) است که با فسفر (phosphorus) یا گوگرد (sulfur) ترکیب شده است.

Lavoisier در Traité Elementaire de Chimie، برخی از خواص پتاس را شرح داده است. به گفته وی:

هر ذره پتاس در لحظه تشکیل یا حداقل در زمان آزاد شدن با ذره ای کربنیک اسید (carbonic acid) در تماس است و از آنجایی که بین این دو ماده قرابت قابل توجهی وجود دارد، طبیعتاً با یکدیگر ترکیب می شوند. اگرچه کربنیک اسید میل ترکیبی کمتری با پتاس نسبت به سایر اسیدها دارد، اما جدا کردن قسمت های آخر از آن دشوار است.

برای به دست آوردن خالص ترین پتاس بدون کربنیک اسید، باید آن را با آهک زنده تصفیه کرد و در ظرف دربسته نگهداری کرد. لاووازیه علیرغم اینکه تمایل شدید پتاس به کربن دی اکسید اتمسفر را شناسایی کرده بود، ترکیب آن را نادیده گرفت، زیرا ما با عناصر سازنده سودا بهتر از عناصر پتاس آشنا نیستیم، و به همان اندازه مطمئن نیستیم که آیا قبلاً به صورت آماده در سبزیجات وجود داشته یا ترکیبی از عناصر حاصل از احتراق است.

پس از قرن ها بحث و جدل در مورد ماهیت پتاس، زمانی که هامفری دیوی (Humphry Davy) ثابت کرد که تجزیه آن به عناصرش با الکترولیز امکان پذیر است، به اجماع پایداری دست یافت.

در تمام طول قرن 18، تولید صنعتی پتاس بر اساس سوزاندن گیاهان مناسب بود. خاکستر با شسته شدن با آب مورد فرآوری قرار گرفت و در نتیجه محلولی به نام قلیا (lye) تولید شد. قلیای به‌دست‌آمده برای تولید پتاس ناخالص خشک می‌شوند، که کلسینه می‌شود (calcinated) تا در نهایت پتاس خالص تولید شود. خاکستر برخی از گیاهان بین 3 تا 20 درصد پتاس تولید می کند که برای بیشتر اهداف کافی است. با این حال، این فرآیند بسیار بیهوده بود، زیرا سوزاندن گیاه تنها به بخش کوچکی از وزن کل آن در خاکستر منجر شد. امروزه از این روش در نقاط دورافتاده برای تولید پتاس برای رنگرزی پارچه و صابون سازی (soap making) استفاده می شود. نکته قابل توجه این است که اصطلاح “قلیا (lye)” را می توان برای تعیین یک محلول به عنوان قلیایی یا نامگذاری یک ماده شیمیایی مانند سدیم هیدروکسید یا پتاسیم هیدروکسید یافت. این ابهام می تواند منجر به سوء تفاهم شود. در این مقاله کلمه قلیا به محلول قلیایی تولید شده از عصاره آبی خاکستر اشاره دارد.

همه گیاهان در ترکیب خود مقداری پتاسیم دارند، اما محتوای آن بسیار متفاوت است. هنگامی که مواد آلی گیاهی می سوزند، پتاسیم اگزالات (potassium oxalate) (K2C2O4) و پتاسیم تارتارات (potassium tartrate) (K2C4H4O6) به پتاسیم اکسید (potassium oxide) (K2O) تبدیل می شوند، همانطور که در معادلات شیمیایی ساده شده زیر نشان داده شده است (معادل 1 و 2):

همانطور که خاکستر در هوای آزاد باقی می ماند، بخشی از اکسید پتاسیم فعال کربن دی اکسید را از جو می گیرد تا کربنات پتاسیم را تشکیل دهد (معادله 3)

قرار دادن خاکستر در آب باعث حل شدن و هیدرولیز کربنات پتاسیم می شود و وجود پتاسیم هیدروکسید (KOH) محلول را قلیایی می کند. واکنش کلی، که تعادل بین پتاسیم هیدروکسید و پتاسیم کربنات در آب را نشان می دهد، می تواند با معادله 4 توصیف شود.

اگر آب از محلول تبخیر شود، پتاسیم کربنات جامد را می توان با تغییر تعادل شیمیایی به سمت چپ در معادله 4 بازیابی کرد.

سمت چپ در معادله 4. کربنات پتاسیم در آب هیدرولیز می شود و pH قلیایی تولید می کند. در یک محیط اسیدی، کربنیک اسید را تشکیل می دهد که به آسانی به کربن دی اکسید و آب تجزیه می شود. پتاسیم کربنات نیز بسیار مرطوب کننده است، به این معنی که این ماده آب محیط اطراف را جذب و نگه می دارد.

خاکستر یک سیستم پیچیده با ترکیبات متنوع به عنوان تابعی از زیست توده سوخته است. به گفته واسیلوا، کسر محلول در آب خاکستر زیست توده از 4٪ تا 61٪ متغیر است و عمدتاً ترکیبات غیر آلی است. پتاس جامدی است که از عصاره آبی خاکستر به دست می آید. این مخلوطی از نمک‌ها شامل کربنات‌ها، بی‌کربنات‌ها، سایر یون‌ها و ترکیبات محلول در آب است که در طول سوختن زیست‌توده غنی از پتاسیم در برابر تبخیر شدن مقاومت می‌کنند، مانند کربنات سدیم، سولفات پتاسیم و فسفات. برای حذف ناخالصی‌های باقی‌مانده، همچنین رطوبت و مواد آلی که در طی سوزاندن اولیه تجزیه نشده بودند، پتاس به دست آمده بیشتر به مرحله کلسیناسیون (گرمایش تا دمای بالا در هوا یا اکسیژن) ارسال شد.

برای تولید قلیا محلول حاصل از کسر محلول در آب (water soluble fraction) خاکستر و پتاس جامد حاصل از تبخیر قلیا از خاکستر زیست توده در آزمایشگاه، ما یک فعالیت آزمایشی را پیشنهاد می کنیم که می تواند به راحتی انجام شود، تنها با استفاده از اساسی ترین دستگاه. می توان از آن برای تحریک و درگیر کردن دانش آموزان در یادگیری مفاهیم شیمیایی و همچنین در بحث در مورد ماهیت علم استفاده کرد. این فعالیت می تواند برای نشان دادن مفاهیمی مانند جداسازی مخلوط ها، تبدیل ماده، واکنش های شیمیایی و pH محلول ها مورد استفاده قرار گیرد و فرصتی عالی برای بحث در مورد جنبه های انجام علم در کلاس درس فراهم می کند.

در زمینه های تاریخی

آزمایشات آزمایشگاهی بخشی جدایی ناپذیر از آموزش علمی مؤثر است. تنها زمانی که دانش‌آموزان به تجربه دستی دست یابند، می‌توان بعد عملی شیمی را در کلاس درس منتقل کرد. با این حال، به ندرت اتفاق می‌افتد که عناصر تاریخی در آزمایش‌های مورد استفاده در آموزش متوسطه یا عالی گنجانده شود. با معرفی تاریخ علم به آزمایشگاه تدریس شیمی، دانش‌آموزان تشویق می‌شوند تا درک چند بعدی از ماهیت علم ایجاد کنند. در عین حال، در حال توسعه این مفهوم است که دانش علمی اساساً پویا است و در حال توسعه مداوم است که توسط کار رو به رشد جامعه علمی تحریک می شود. آزمایش‌های تاریخی علاوه بر ارزش ذاتی آن به‌عنوان اصلی‌ترین ابزار برای ارائه ماهیت تلاش علمی به دانش‌آموزان، رویکرد بین‌رشته‌ای ضروری‌تر را برای درک علم به‌عنوان بخشی از فرهنگ‌های ما ترویج می‌کنند. از این نظر است که هوتکه (Höttecke) و سیلوا (Silva) بر ضرورت زیرساخت های مناسب تاکید کرده اند. آنها اشاره می‌کنند که آزمایشگاه آموزشی معمولی که در اکثر مدارس یا کالج‌ها یافت می‌شود، ممکن است فاقد امکانات مورد نیاز برای اجرای آزمایش‌های «تاریخی» باشد.

بنابراین، توسعه آموزش شیمی با استفاده از آزمایش‌های «تاریخی» هنوز نیاز به تحقیقات زیادی دارد قبل از اینکه بتوان آن را به طور جدی برای کاربرد گسترده در نظر گرفت، به ویژه با در نظر گرفتن نیاز به تجهیزات ساده‌تر و مقرون به صرفه‌تر و زیرساخت‌های مدرسه برای متعادل کردن تعادل نابرابری های عظیم در آموزش علوم، آزمایش ارائه شده در این مقاله این مزیت را دارد که فقط به واکنش‌دهنده‌هایی در دسترس نیاز دارد که حتی در مدارس واقع در مکان‌های فقیرتر به راحتی تهیه می‌شوند، در حالی که امکان فعالیت‌های مبتنی بر تحقیق و سایر فعالیت‌های عملی با محلول‌های قلیایی، مانند تولید صابون را فراهم می‌کند.

مواد و روش ها

تولید پتاس در آزمایشگاه

قبل از جلسه آزمایشگاه، مربی ممکن است از دانش‌آموزان بخواهد تا در منابع کتاب‌شناختی درباره وجود پتاسیم در گیاهان مختلف بحث کنند. همچنین ممکن است از آنها خواسته شود که برخی از مواد گیاهی را برای استفاده در فعالیت انتخاب کنند.

به دلایل ایمنی، مربی باید سوزاندن قسمت های گیاه انتخاب شده برای آزمایش را انجام دهد تا خاکستر به دست آید. برای آسان‌تر کردن این مرحله، مربی می‌تواند در رستوران‌هایی با اجاق‌های چوبی یا کباب‌پز نیز درخواست خاکستر کند. با دانستن منشأ سوخت جامد، نوع خاصی از چوب یا زغال سنگ، همچنان می توان روی مطالعات تطبیقی کار کرد. مراحل به شرح زیر بود:

1- وزن دانش‌آموزان بین 3 تا 10 گرم خاکستر خواهد بود (مدرس باید میزان محصول را قبلاً بررسی کند تا مقدار آن را تعیین کند زیرا محتوای پتاس به شدت به منبع بستگی دارد).

2- خاکستر را به همراه 60 میلی لیتر آب به یک لیوان آب اضافه کنید (این مقدار ممکن است به عنوان تابعی از ظرفیت نگهداری آب خاکستر مورد استفاده در آزمایش تغییر کند، و باید قبلاً آزمایش شود تا میزان زمان مورد نیاز در مرحله 5 بررسی شود. تا تمام آب تبخیر شود).

3- مخلوط را به مدت 2 دقیقه به طور مداوم هم بزنید و با استفاده از کاغذ صافی از قبل وزن شده فیلتر کنید. محلولی که پس از فیلتراسیون به دست می آید به عنوان لیز شناخته می شود.

4- پس از تصفیه، کاغذ صافی حاوی خاکستر باید به مدت 24 ساعت در اجاق گاز 100 درجه سانتیگراد خشک شود و جرم آن پس از کلاس برای محاسبه بازده وزن شود.

5- فیلتر (filtrate) روی یک مشعل Bunsen حرارت داده شد تا آب کاملاً تبخیر شود. ماده جامد کف بشر (beaker) پتاس است.

6- پس از خنک شدن لیوان با بلورهای پتاس، وزن و بازده بدست آمده را محاسبه کنید.

مربی باید در مورد توزین کاغذ صافی، جایی که خاکستر پراکنده در آب صاف می‌شود، و لیوانی که قلیا در آن تبخیر می‌شود، شدیداً به دانش‌آموزان هشدار دهد، زیرا تعیین کمی از طریق توزین با اختلاف انجام می‌شود.

به عنوان جایگزینی برای خشک کردن کاغذ صافی (مرحله 4) و تبخیر آب (مرحله 5)، اگر مربی زمان بیشتری برای آزمایش در اختیار داشته باشد، جایگزین پایدارتر برای خشک کردن یا تبخیر، استفاده از خشک کردن با هوا است. در مکانی با احتمال کمتری برای آلودگی توسط رسوبات جوی، مانند دودکش بسته یا کابینت جریان آرام. جایگزین پایدار دیگر استفاده از مقیاس کوچکتر است که می تواند انرژی خشک کردن و تبخیر و زمان آزمایش را کاهش دهد. تنها نکته این است که مطمئن شوید که بازده خاکستر برای آزمایش‌های پس از تولید پتاس کافی است.

در شکل 1، چند نمونه از پتاس ها را برای نشان دادن تنوع رنگ های مورد انتظار ارائه می کنیم. این پتاس ها از منابع مختلفی به دست آمدند: درخت سیبیپیرونا (Caesalpinia pluviosa، از هرس عمومی)، درخت نارگیل (Cocos nucifera، از هرس عمومی) و درخت موز (Musa paradisiaca، برش پس از برداشت)، به ترتیب از چپ به راست در شکل نشان داده شده است.

بازده آنها به طور متوسط 8 درصد برای درخت سیبیپیرونا، 22 درصد برای درخت نارگیل و 3 درصد برای درخت موز بود.

آزمایش پتاس به دست آمده

وجود کربنات ها: پس از وزن کردن لیوان با پتاس (مرحله 5 روش ارایه شده)، چند قطره سرکه (vinegar) به آن اضافه شد و جوشش (effervescence) مشاهده شد.

خصلت اسیدی – قلیایی: pH قلیا با استفاده از کاغذ pH غوطه ور در محلول های قلیا (lye solutions) تشکیل شده در مرحله 3 اندازه گیری شد.

خطرات (HAZARDS)

برای جلوگیری از تماس با مایعات قلیایی، دانش آموزان و کارکنان باید از عینک و دستکش محافظ در هنگام جوشاندن قلیا استفاده کنند، به دلیل خطری که ناشی از محلول داغ بسیار خورنده، شعله های آتش و فروپاشی حباب ها با بیرون ریختن آن است. قطره. هرگونه تماس این محلول با چشم یا پوست مضر است و باید از آن خودداری شود. هنگام دست زدن به ظروف شیشه ای پس از خشک شدن در فر باید از دستکش حرارتی استفاده شود. دفع مواد جامد پس از فعالیت می تواند در زباله های خانگی انجام شود. محلول ها، پس از خنثی شدن، می توانند در سینک ریخته شوند. پتاس مخلوطی از پتاسیم کربنات و پتاسیم  اکسید است. اولی باعث تحریک پوست و چشم می شود و دومی باعث سوختگی شدید پوست و آسیب چشم می شود. سرکه باعث تحریک پوست و چشم می شود.

بحث

ما این آزمایش را با کلاس های کارشناسی از دانشجویان سال اول از رشته های شیمی، فیزیک، ریاضیات و زیست شناسی انجام دادیم. دانش آموزان به دو کلاس تقسیم شدند، یکی با دانشجویان شیمی و فیزیک و یکی با دانشجویان ریاضی و زیست. هر کلاس تقریباً 35 دانش آموز داشت. علاوه بر این، دانش آموزان به گروه های دو یا سه دانش آموز تقسیم شدند که در مجموع به طور متوسط ​​15 گروه در هر کلاس بود. زمان صرف شده برای انجام فعالیت با هر کلاس 2 ساعت بود، اگرچه آزمایش مرحله نهایی خشک کردن بعد از کلاس را دارد.

تولید پتاس

از طریق احتراق گیاهان، خاکستر حاوی مخلوطی از اکسید پتاسیم و کربنات است. کربنات پتاسیم از واکنش اکسید (oxide) با کربن دی اکسید به دست می آید. معمولاً به دلیل پایداری بیشتر کربنات غلبه خواهد داشت. با مخلوط کردن خاکستر با آب، پتاسیم کربنات و اکسید مانند سایر نمک های محلول محلول می شوند. بنابراین، تمام ترکیبات محلول در فیلتر خواهد بود. هنگامی که محلولی که از کاغذ صافی عبور کرده است تبخیر شد، جامد تشکیل شده پتاس خواهد بود. ما اصول استخراج را در مورد حلالیت انتخابی برخی از ترکیبات در آب و کارایی استخراج با کنترل وزن پتاس به دست آمده از وزن اولیه خاکستر مورد بحث قرار دادیم. در آزمایش پیشنهادی، ما بازدهی بین 3 تا 20 درصد وزنی به دست آوردیم. علاوه بر این، زمینه تاریخی بحثی را در آزمایشگاه در مورد نقش طبیعت‌شناس Fray José Marianno da Conceição Velloso در توسعه تکنولوژیکی تولید پتاس در برزیل فراهم کرد. این بحث بخشی از گزارش مورد استفاده برای ارزیابی کارایی آزمایش نبود. در مورد بازده، 75 درصد پاسخ ها و محاسبات صحیح را داشتیم. از آنجایی که ما با دانش‌آموزان سال اول کار کرده‌ایم، می‌توانیم نتیجه بگیریم که هم این مفهوم را از دبیرستان به خوبی تثبیت کرده‌ایم و هم آن را به طور معناداری برای 3/4 کلاس آموزش داده‌ایم.

وجود کربنات ها

با افزودن سرکه تجاری به پتاس می توان تشکیل دی اکسید کربن را مشاهده کرد زیرا کربنات پتاسیم یک نمک اساسی است و با استیک اسید واکنش می دهد و پتاسیم استات و کربنیک اسید تولید می کند که به سرعت به کربن دی اکسید و آب تجزیه می شود (معادله 5).

در این گزارش از دانش‌آموزان خواسته شد تا پاسخ دهند که چه معادله‌ای می‌تواند نشان‌دهنده جوشش مشاهده‌شده پس از افزودن سرکه در پتاس باشد و ما 67 درصد پاسخ صحیح داریم. خطاهای اصلی عبارت بودند از استوکیومتری، حالت فیزیکی از دست رفته مواد و برخی از گروه ها که محصول نهایی را به عنوان کربنیک اسید نشان می دادند، بدون توجه به این واقعیت که واکنش نشان دهنده تشکیل گاز نیست، که پدیده مشاهده شده است.

طبیعت اسیدی قلیایی

هنگامی که کربنات پتاسیم در آب حل می شود، هیدروکسید پتاسیم (معادله 4)، یک باز آرنیوس (Arrhenius base) تولید می کند. در آزمایش پیشنهادی، دانش‌آموزان ویژگی اصلی محلول پتاس را با اندازه‌گیری pH آن که باید بین 10 تا 11 باشد، ارزیابی کردند. اکثر گروه‌ها (85%) دریافتند که اکسایش پتاسیم (oxidation of potassium) در گیاهان، پتاسیم اکسید (potassium oxide) تولید می‌کند که پتاسیم هیدروکسید را در گیاهان تشکیل می‌دهد. آب، به محلول ویژگی اصلی آن را می دهد. چند گروه (20٪) همچنین این ایده را توسعه دادند که پتاسیم کربنات (potassium carbonate) همچنین می تواند منبعی از یک ویژگی اساسی باشد زیرا هیدرولیز آن اسید ضعیف (H2CO3) و یک باز قوی (KOH) تولید می کند.

نتیجه‌گیری

آزمایش‌های پیشنهادی زمینه مناسبی را برای آموزش علوم با بافت تاریخی در زمان کوتاه و تقاضای کم برای زیرساخت فراهم می‌کنند که برای استفاده در طیف وسیعی از موقعیت‌ها اساسی است. بعلاوه، اپیزود تاریخی (historical episode) مربوط به تولید پتاس و ترکیب آن، طیف وسیعی از مطالب را برای کار در کلاس ارائه می‌کند و برخی بحث‌های علمی را ارائه می‌دهد، که معتقدیم می‌تواند یک استراتژی ضروری برای جذاب‌تر کردن و ایجاد انگیزه آموزش شیمی باشد. این آزمایش همچنین زمینه ای برای آموزش دانش آموزان فراهم کرد که چگونه با مواد خطرناک برخورد کنند.

مراجع: