تعد الكيمياء إحدى العلوم الأساسية عند البشر وهي تدرس المادة وخصائصها والتفاعل بين العناصر وما ينتج عن هذه التفاعلات ونوعها وطاقتها. وتقسم الكيمياء إلى عدة أفرع أهمها الكيمياء التحليلة والكيمياء الفيزيائية والكيمياء العضوية والكيمياء اللاعضوية والكيمياء الحيوية والكيمياء النووية.
قد يعتقد البعض أن الكيمياء علم حديث إلا أن هذا الاعتقاد خاطئ فيعود تاريخها إلى بداية ظهور الإنسان وبداية اكتشافه لبيئته، فعلى سبيل المثال كان الإنسان يمارس الكيمياء عندما صنع أواني فخارية عن طريق خلط الطين بالماء وتسخينه. وتطورت الكيمياء بشكل هائل منذ ذلك الوقت وأصبحت تجري الاختبارات والتجارب في مخابر كيميائية مختصة باستخدام أدوات معينة، من أبرزها البوتقة.
البوتقة هي إناء صغير يستخدم في المخابر الكيميائية لإجراء التفاعلات والتحليلات الكيميائية ذات درجات الحرارة العالية ولحرق المعادن ولخلط المركبات الكيميائية الصلبة على الموقد، ويوضع فيها جميع أنواع المواد الصلبة والسائلة كما أنها تستخدم في التحليل الكيميائي الوزني الكمي. قد تكون البوتقة مصنوعة من الصلصال أو البروسلين أو المعدن.
ومن الجدير بالذكر أنه يشترط على البوتقة أن تكون ذات درجة حرارة ثابتة وغالبًا ما يوضع فوقها غطاء لكي لا تخرج العينات منها ويستخدم أخصائي المخبر حاملًا معدنيًا (ملقطًا) لكي لا يلمس البوتقة مباشرة نظرًا لحرارتها المرتفعة.
يعود تاريخ البوتقة إلى زمن بعيد لكن شكلها كان يختلف باختلاف العصر وكان دائمًا ما يعكس هدف استخدامها. ويعود أقدم شكل معروف من البوتقة إلى الألفية السادسة قبل الميلاد في إيران وأوروبا الشرقية.
ثم أصبحت البوتقة تستخدم في صهر النحاس، وكانت عبارة عن وعاء ضحل عريض مصنوع من الصلصال يفتقر إلى الخصائص الحرارية. وفي العصر الحجري كان يتم تسخين البوتقة من خلال أنابيب النفخ وكانت غالبًا مصنوعة من الخزف وبدأ استخدام الحوامل والمقابض في تلك الفترة.
وفي العصر البرونزي كانت تستخدم لصهر النحاس والقصدير. أما في الفترة الرومانية فقد أصبحت البوتقة عبارة عن وعاء مستدير أو مدبب مخروطي الشكل.
بدأ في نهاية القرون الوسطى وفي الفترة التي تلتها ظهور أنواع جديدة ولكن بتصاميم محدودة بسبب اقتصار تصنيعها وتصميمها على قلة قليلة من المختصين.
وبشكل عام تكمن فوائد البوتقة في قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية جدًا، مما يجعلها مثالية للتجارب المخبرية التي تنطوي على تفاعلات كيميائية شديدة الحرارة بالإضافة إلى عمليات التآكل والتصبغ.
قد يختلف شكل البوتقة وحجمها وارتفاعها حسب الغرض الذي تستخدم من أجله. إليك أبرز الأنواع:
- النوع العالي: هو عبارة عن بوتقة ذات ارتفاع عالي ومنتفخة قليلًا. كما أن فتحة قطرها واسعة وقاعدتها ضيقة.
- النوع الواسع: هو عبارة عن بوتقة منخفضة الارتفاع وضحل،. لها قطر علوية واسع ويضيق حتى تصبح القاعدة صغيرة.
- البيتومين: لها قاع مثقب، وتكون الأجزاء الداخلية والخارجية ملمّعة.
- البوتقة المسامية القاع: يكون قاعها مساميّ يعطي معدل تدفق ثابت.
أما عن المواد المستخدمة في صناعة البوتقة:
- السيليكا: هي مادة بلورية عالية الجودة ذات لون أبيض أو قد تكون عديمة اللون وهي مقاومة للتآكل.
- البورسلين/السيراميك: تتميز بوتقة البورسلين والبوتقة الخزفية بمقاومة عالية للصدمات ولها خصائص حرارية متميزة، يمكن أن تكون مفيدة في إجراء تجارب بحرارة عالية دون الخوف من خطر التشوه أو التشقق.
- المعادن: كالغرافيت أو كربيد السيليكون أو المعادن الأخرى.
- الفولاذ: تستخدم بوتقة الفولاذ لصهر الألمنيوم والزنك وهي مواد درجة حرارة انصهارها أقل من الفولاذ.
البوتقة هي أداةٌ مستخدمةٌ في عمليات التصنيع وحصرًا في عمليات ذوبان المعادن لكونها تمثل خزانًا ناقلًا لذلك أو المكان المنفصل الذي يُنظم فيه ذوبان المعادن، ويتمثل دورها في العمل على وصول المواد الموضوعة داخلها لأقصى درجة حرارةٍ لها، وهي عبارةٌ عن وعاءٍ للتخزين ذو شكلٍ مخروطيٍّ مقسمٍ إلى قسمين، قسمٌ علويٌ وقسمٌ سفلي، تكمن أهمية كل قسمٍ منهما بأن القسم العلوي يمتلك التقنية العالية للمساعدة على ذوبان المعادن، أمّا القسم السفلي فهو الأهم لكونه يملك القسم الأكبر من الحمل المادي والحراري أيضًا.
تستخدم البوتقة في عمليات الحث التي تتم ضمن أفرانٍ خاصة، حيث تساعد البوتقة على الوصول إلى أنقى درجات للسبيكة المُصنعة مع تأمين درجات حرارة عالية، إضافةً إلى حماية المعادن من الشوائب والغازات. كما يتمّ استخدام البوتقة في عمليات نقل المعادن المنصهرة ضمن حاوياتٍ مخصصةٍ لذلك، وبمساعدة معداتٍ أخرى خاصة.
للبوتقات أنواعٌ عديدة تختلف فيما بينها بالمواد الخام المصنعة منها، والتي تتضمن نوعان هما المعادن واللافلزات، وبالنسبة للمعادن يكون الحديد هو أكثر معدنٍ مستخدمٍ في التصنيع، لكونه يملك مقاومةً حراريةً عالية، إضافةً للقدرة على الإتصال بشكلٍ آمنٍ مع السبائك المكونة من المعادن الأخرى، أمّا بالنسبة للبوتقات المصنوعة من المواد غير المعدنية مثل السيراميك والصلصال أو كما يسمى بالطين والجرافيت، وهذه المواد لها القدرة على مقاومة عمليات الأكسدة والتأثيرات الحرارية، ومن أكثر أنواع البوتقات شيوعًا هي:
- البوتقات الطينية: وفيها يمر الطين المستخدم بثلاثة مراحل قبل أن يتشكل كبوتقة، حيث يتم في البداية إنشاء الكتلة المستخدمة في الصناعة، ومن ثم البدء بعملية الصب وأخيرًا يتمّ التجفيف، ولكن هذا النوع من البوتقات لا يملك المتانة والقوة الكافية لتحمل الاستخدام المتكرر له نتيجة حدوث تشققاتٍ في البوتقة مع تكرار الاستخدام، ولكن تعد أقل الأنواع في التكلفة الإقتصادية، الأمر الذي يبرر تصنيعها واستخدامها دونًا عن الأنواع الأخرى.
- البوتقات المصنوعة من الجرافيت والكربون: ويتميز هذا النوع بامتلاكه مقاومةً عاليةً كيميائيًّا وحراريًّا، فمثلًا تملك هذه البوتقات قدرةً على تحمل درجة حرارةٍ تصل إلى 3000 درجةٍ مئوية، وتستخدم في عمليات صهر المعادن سواءً كانت حديديةً أم غير حديدية.
- البوتقة المصنعة لعملية صهر الألمنيوم: تمتلك هذه البوتقات ميزة القدرة على الوصول إلى درجات انصهارٍ عالية، حيث تكون تلك الدرجات ضمن مجال 400 وحتى 1400 درجةٍ مئوية، وتتميز بقيامها بالتدفئة العالية والشديدة بالإضافة إلى عملية الصهر المباشر، وتحوي على طبقةٍ تحمي من التآكل معطيةً متانةً جيدة، وتصنع في أغلب الأحيان من الجرافيت.
- البوتقة المستخدمة في صهر الرصاص: من الممكن استخدام أغلب أنواع المواد الخام في تصنيع هذا النوع من البوتقات، ما عدا المواد التي تعطي شكلًا هشًا كالبورسلان والطين، لذلك تعتبر بوتقة الجرافيت من أكثر المواد المستخدمة في التصنيع بالرغم من التكلفة العالية، لذلك تعتبر هذه البوتقات من أقل الأنواع المستخدمة، حيث تقتصر على استخداماتٍ محددةٍ مثل صناعة الطلقة.