الوحدة الأولى: التفاعلات الكيميائية وآثارها البيئية

• تعلّمت في الصفوف السابقة أن التفاعل الكيميائي عملية تُكسَر فيها الروابط بين الذرات في جزيئات المواد المتفاعلة (المتفاعلات)، ثم تتكوّن روابط جديدة بين الذرات نفسها في جزيئات المواد الناتجة (النواتج).
• ولأن الروابط الجديدة تختلف عن القديمة، تنتج مواد جديدة لها خصائص مختلفة عن خصائص المواد التي بدأنا بها.
• فالصوديوم فلز لامع شديد النشاط، والكلور غاز أخضر سام، لكنهما إذا اتحدا يكوّنان ملح الطعام الذي نأكله.

كيف نعرف أن تفاعلًا كيميائيًا قد حدث؟ نلاحظ واحدًا أو أكثر مما يأتي:

1. تغيّر اللون (كاختفاء اللون الأزرق لمحلول كبريتات النحاس).
2. تغيّر الرائحة.
3. تصاعد غاز على شكل فقاعات (كغاز الهيدروجين عند وضع فلز في حمض).
4. تكوّن راسب (مادة صلبة تنفصل من المحلول).
5. انبعاث ضوء وحرارة (كاحتراق شريط الماغنسيوم).

لماذا نصنّف التفاعلات؟

• تبدو التفاعلات الكيميائية كثيرة جدًا، لكنها ليست عشوائية؛
• فهي تتبع أنماطًا يمكن التعرّف عليها.
• وتصنَّف إلى أنواع رئيسة بحسب الطريقة التي تُعاد بها ترتيب الذرات أو الأيونات أثناء التفاعل.
• ويفيدنا هذا التصنيف في أمرين: فهم كيفية حدوث التفاعل، وتوقّع نواتج تفاعلات جديدة لم نشاهدها من قبل.

الأنواع التي ندرسها في هذه الوحدة:

• وكما سترى، قد ينتمي التفاعل الواحد إلى أكثر من نوع في الوقت نفسه؛
• فاحتراق الماغنسيوم تفاعل اتحاد مباشر، وهو أيضًا تفاعل احتراق، وهو كذلك تفاعل أكسدة واختزال.

التعريف: تفاعلات تتحد فيها مادتان أو أكثر (عناصر أو مركبات) لتكوين مركب جديد واحد. الشكل العام: A + B ← AB.

تجربة: تفاعل بعض الفلزات مع الأكسجين

نمسك بالملقط شريط ماغنسيوم مصنفرًا (منظفًا بورق الصنفرة)، وقطعة من الصوف الفولاذي (سلك تنظيف الأواني المصنوع من الحديد)، وسلكًا من النحاس، ونعرّض كلًّا منها للهب بنزن المدة نفسها.

الملاحظات والتفسير:

• الماغنسيوم (Mg): يشتعل بسرعة بلهب أبيض ساطع، ويتكوّن مسحوق أبيض هو أكسيد الماغنسيوم (MgO):

  2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s) + طاقة (حرارة وضوء)

  احتياطات الأمان:

  • لا تُطِل النظر إلى وهج الماغنسيوم؛
  • لأن احتراقه يطلق ضوءًا شديد الشدة مصحوبًا بأشعة فوق بنفسجية قد تؤذي شبكية العين، لذا نرتدي نظارات واقية.

• الحديد (Fe) في الصوف الفولاذي: يحترق بشرر واضح، وينتج أساسًا أكسيد الحديد المغناطيسي (Fe₃O₄):

  3Fe(s) + 2O₂(g) → Fe₃O₄(s)

• النحاس (Cu): لا يحترق بلهب مرئي، لكن تتكوّن على سطحه طبقة سوداء من أكسيد النحاس II (CuO):

  2Cu(s) + O₂(g) → 2CuO(s)

الاستنتاج:

• الفلزات الثلاثة تتفاعل مع أكسجين الهواء، لكنها تختلف في نشاطها الكيميائي: الماغنسيوم أنشط من الحديد، والحديد أنشط من النحاس.
• وقد دلّنا على ذلك شدة التفاعل: لهب ساطع، ثم شرر، ثم مجرد اسوداد السطح.

توضيح: لاحظ أن التفاعلات الثلاثة اتحاد مباشر؛ فمادتان (فلز + أكسجين) أنتجتا مركبًا واحدًا (أكسيد الفلز).

التعريف:

• تفاعلات يتفكك فيها مركب واحد تحت تأثير نوع من الطاقة (حرارة أو ضوء) إلى مكونات أبسط (عناصر أو مركبات أبسط).
• الشكل العام: AB ← A + B.
• وهو عكس الاتحاد المباشر في فكرته.

المثال الأول: انحلال أكسيد الزئبق II الأحمر بالتسخين

يتحوّل المسحوق الأحمر إلى زئبق فضي اللون (يتكثف على جدران الأنبوب) وغاز الأكسجين:

2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂(g) (بالتسخين)

الزئبق هنا سائل (الفلز السائل الوحيد في درجة حرارة الغرفة)، والأكسجين غاز يعيد إشعال عود ثقاب به جمرة متوهجة.

المثال الثاني: انحلال كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري) بالتسخين

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) (بالتسخين)

الناتجان: أكسيد الكالسيوم (الجير الحي) الصلب، وغاز ثاني أكسيد الكربون. وهذا التفاعل أساس صناعة الجير والأسمنت.

مثال محلول (1): سُخّن شريط من الماغنسيوم في الهواء، وسُخّن مسحوق أكسيد الزئبق الأحمر. حدّد نوع كل تفاعل ونواتجه.

الحل:

• تسخين الماغنسيوم: اتحاد مباشر (Mg + O₂)؛ الناتج أكسيد الماغنسيوم، وهو مسحوق أبيض صلب.
• تسخين أكسيد الزئبق II: انحلال حراري؛ الناتجان زئبق سائل فضي وأكسجين غاز عديم اللون.

التعريف:

• تفاعلات يحلّ فيها عنصر محل عنصر آخر في أحد مركباته.
• الشكل العام: A + BC ← AC + B.
• نلاحظ أن العنصر الحرّ يدخل التفاعل ويخرج عنصر حرّ آخر.

وللإحلال البسيط ثلاث صور رئيسة نشرحها فيما يأتي.

4-أ. إحلال فلز محل هيدروجين الحمض

• نضع شريط ماغنسيوم في أنبوبة اختبار، ونضيف إليه حمض الهيدروكلوريك المخفف.
• نلاحظ تفاعلًا سريعًا وفقاعات غازية، وإذا قرّبنا شظية مشتعلة من فوهة الأنبوبة يشتعل الغاز بفرقعة؛
• وهي الدلالة المميزة لغاز الهيدروجين.

Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)↑

القاعدة:

• الفلزات النشطة كيميائيًا تتفاعل مع الأحماض المخففة (مثل HCl) فتحلّ محل هيدروجين الحمض، ويتكوّن ملح الفلز (كلوريد الفلز) ويتصاعد غاز الهيدروجين.

هل تتفاعل كل الفلزات بالسرعة نفسها؟

• لا.
• عند وضع كتل متساوية من الخارصين والحديد والنحاس في حجوم متساوية من الحمض نفسه، يكون معدل تصاعد الفقاعات:

• الماغنسيوم: غزير جدًا (الأسرع).
• الخارصين: غزير متوسط.
• الحديد: بطيء.
• النحاس: لا فقاعات إطلاقًا؛ أي لا يتفاعل.

ومن هنا ينشأ الترتيب الآتي لسرعة التفاعل مع الحمض: Mg > Zn > Fe > Cu.

متسلسلة النشاط الكيميائي

التعريف:

• هي ترتيب العناصر الفلزية ترتيبًا تنازليًا حسب درجة نشاطها الكيميائي (من الأنشط إلى الأقل نشاطًا).
• ويدخل الهيدروجين في الترتيب كنقطة مرجعية مهمة:

البوتاسيوم (K) ← الصوديوم (Na) ← الليثيوم (Li) ← الباريوم (Ba) ← الكالسيوم (Ca) ← الماغنسيوم (Mg) ← الألومنيوم (Al) ← الخارصين (Zn) ← الحديد (Fe) ← القصدير (Sn) ← الرصاص (Pb) ← الهيدروجين (H) ← النحاس (Cu) ← الزئبق (Hg) ← الفضة (Ag) ← البلاتين (Pt) ← الذهب (Au)

كيف نقرأ المتسلسلة؟

1. الفلزات التي تسبق الهيدروجين تحلّ محله في الأحماض المخففة، فيتصاعد الهيدروجين.
2. الفلزات التي تلي الهيدروجين (النحاس والزئبق والفضة والبلاتين والذهب) لا تتفاعل مع الأحماض المخففة ولا مع الماء؛ لأنها لا تستطيع أن تحلّ محل الهيدروجين. ولذلك تُصنع منها الحلي والعملات والأسلاك لأنها لا تتآكل بسهولة.
3. كلما ارتفع الفلز في المتسلسلة كان أنشط، وكان أكثر استعدادًا لفقد إلكتروناته.

حالة خاصة: الألومنيوم.

• مع أن الألومنيوم يسبق الهيدروجين في المتسلسلة، إلا أنه لا يتفاعل فورًا مع حمض الهيدروكلوريك المخفف.
• السبب: يغطي سطحه دائمًا طبقة رقيقة متماسكة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) تعمل كعازل يمنع وصول الحمض إلى الفلز.
• وبعد وقت قصير تتآكل هذه الطبقة، فيبدأ الفوران وتصاعد الهيدروجين.

2Al(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl₃(aq) + 3H₂(g)↑

4-ب. إحلال فلز محل هيدروجين الماء

الفلزات الواقعة في مقدمة المتسلسلة (شديدة النشاط) تتفاعل مع الماء وتحلّ محل هيدروجينه.

تجربة الصوديوم والماء:

• نملأ حوضًا زجاجيًا بالماء إلى منتصفه.
• بالملقط نأخذ قطعة صغيرة جدًا من الصوديوم (في حجم حبة الأرز) بعد تجفيفها من الكيروسين الذي تُحفظ فيه بورق ترشيح، ثم نضعها على سطح الماء.

الملاحظات:

• تتحرك قطعة الصوديوم بسرعة على سطح الماء، وتتفاعل فورًا وبشدة مع الماء البارد، وتتولد حرارة كبيرة قد تشعل الهيدروجين الناتج.
• يتصاعد غاز الهيدروجين، ويتكوّن محلول هيدروكسيد الصوديوم القلوي:

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)↑ + حرارة

احتياطات الأمان:

• نستخدم قطعة صغيرة جدًا، ونرتدي نظارة وقفازات، ونُبقي كمية من الرمل الجاف قريبة لإخماد أي حريق (لا يُستعمل الماء لإطفاء حريق الصوديوم).

مقارنة بالماغنسيوم:

• يوضع شريط ماغنسيوم في ماء بارد فلا يحدث تفاعل ظاهر، فإذا نُقل إلى ماء ساخن بدأ التفاعل (تظهر فقاعات الهيدروجين).
• أي أن الماغنسيوم يحتاج إلى طاقة حرارية ليتفاعل مع الماء، مما يدل على أنه أقل نشاطًا من الصوديوم الذي تفاعل مع الماء البارد فورًا.

4-ج. إحلال فلز محل فلز آخر في محاليل أملاحه

القاعدة: كل فلز يحلّ محل الفلزات التي تليه في المتسلسلة من محاليل أملاحها.

تجربة الخارصين وكبريتات النحاس: نضع في كأس محلول كبريتات النحاس II الأزرق، ونغمر فيه ساق خارصين. بعد نحو عشر دقائق نلاحظ:

• يزول اللون الأزرق للمحلول تدريجيًا (يصبح عديم اللون).
• يترسب على الساق فلز النحاس الأحمر.

Zn(s) + CuSO₄(aq) → ZnSO₄(aq) + Cu(s)

الخارصين (أنشط) حلّ محل النحاس (الأقل نشاطًا) في ملحه. ويصبح المحلول محلول كبريتات الخارصين عديم اللون.

فكّر: ماذا لو غمرنا ساق نحاس في محلول كبريتات الخارصين؟ لا يحدث تفاعل؛ لأن النحاس أقل نشاطًا من الخارصين ولا يستطيع أن يحلّ محله.

تطبيق من الحياة: تلميع الفضة.

• تفقد الأدوات الفضية بريقها بمرور الوقت لتكوّن طبقة داكنة على سطحها.
• تُعاد لمعتها بوضعها مع قطعة من ورق الألومنيوم في ماء مغلي مضاف إليه بيكربونات الصوديوم؛
• إذ يتفاعل الألومنيوم (الأنشط) مع مركب الفضة الذي كوّن الطبقة الداكنة فتعود الفضة نظيفة.

التعريف:

• تفاعل بين مركّبين أيونيين، يحدث غالبًا في محلول مائي، تتبادل فيه الأيونات مواضعها فيتكوّن مركبان جديدان.
• الشكل العام: AB + CD ← AD + CB.

تذكير:

• المركب الأيوني (مثل ملح الطعام NaCl) يتكوّن من جزأين: أيون موجب (كاتيون، مثل Na⁺) وأيون سالب (أنيون، مثل Cl⁻)، وقد يكون الأيون مجموعة ذرية كاملة (مثل SO₄²⁻).

وتشمل ثلاثة أمثلة رئيسة:

5-أ. تفاعل التعادل (حمض + قلوي)

• نضع في أنبوبة اختبار حجمًا من محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف (قلوي)، ونضيف قطرات من دليل اليونيفرسال.
• يتلوّن المحلول بالبنفسجي (لون القلوي).
• ثم نضيف حمض الهيدروكلوريك المخفف تدريجيًا فيتغير اللون: يصير أخضر عند نقطة التعادل، ومع الاستمرار في إضافة الحمض يتحول إلى الأصفر ثم البرتقالي وقد يصل إلى الأحمر (لون الحمض القوي).

HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l)

حمض + قلوي ← ملح (متعادل) + ماء. وهو إحلال مزدوج لأن Na⁺ تبادل الموقع مع H⁺ فأعطى NaCl و H₂O.

معلومة إثرائية:

• الحمض القوي يتأين (يتفكك) تقريبًا كليًا في الماء فيعطي تركيزًا كبيرًا من الأيونات، بينما الحمض الضعيف يتأين جزئيًا فقط، فيوجد في محلوله خليط من الأيونات وجزيئات الحمض غير المتأينة.
• (HCl حمض قوي، وحمض الكربونيك حمض ضعيف.)

5-ب. تفاعل حمض قوي مع ملح حمض ضعيف

• نضع مسحوق كربونات الصوديوم (Na₂CO₃) في دورق، ونضيف حمض الهيدروكلوريك المخفف من قمع ذي صنبور، ونمرّر الغاز المتصاعد في ماء الجير الرائق.
• نلاحظ فورانًا وتصاعد غاز يعكّر ماء الجير؛
• وهو ثاني أكسيد الكربون.

2HCl(aq) + Na₂CO₃(aq) → 2NaCl(aq) + H₂CO₃(aq)

ثم ينحل حمض الكربونيك غير المستقر (حمض ضعيف) مباشرة:

H₂CO₃(aq) → H₂O(l) + CO₂(g)↑

والمعادلة النهائية: 2HCl + Na₂CO₃ → 2NaCl + H₂O + CO₂↑

فكرة مهمة: تبادلت الأيونات أماكنها فتكوّن ملح جديد (كلوريد الصوديوم) وحمض جديد ضعيف (الكربونيك) الذي لا يبقى ويتحلل إلى ماء وغاز.

5-ج. تفاعلات الترسيب (بين محلولي ملحين)

• نضع محلول كلوريد الصوديوم في أنبوبة، ونضيف قطرات من محلول نترات الفضة.
• يتكوّن فورًا راسب أبيض من كلوريد الفضة (AgCl) الذي لا يذوب في الماء، ويتحول بعد فترة من تعرضه للضوء إلى لون بنفسجي داكن.

NaCl(aq) + AgNO₃(aq) → AgCl(s)↓ + NaNO₃(aq)

تطبيق: معالجة الماء العسر.

• تحتوي بعض المياه الجوفية على نسب عالية من أملاح الكالسيوم والماغنسيوم (ماء عسر)، ويسبب ترسبات صلبة (تكلسات) داخل الأنابيب والسخانات والغسالات تؤدي إلى تلفها.
• في محطات المعالجة تُضاف كربونات الصوديوم، فترتبط أيونات الكالسيوم والماغنسيوم بأيونات الكربونات وتكوّن رواسب صلبة غير ذائبة تُزال بسهولة:

Ca²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CaCO₃(s)↓

مقارنة مختصرة:

ما كنت تعرفه:

• الأكسدة إضافة أكسجين للمادة أو نزع هيدروجين منها، والاختزال العكس.
• لكن توجد تفاعلات تحدث فيها أكسدة واختزال دون أن يظهر أكسجين أو هيدروجين؛
• لذلك نحتاج إلى مفهوم أعمّ قائم على انتقال الإلكترونات.

لنتأمل تفاعل الخارصين مع كبريتات النحاس:

Zn + Cu²⁺SO₄²⁻ → Zn²⁺SO₄²⁻ + Cu

• قبل التفاعل: الخارصين ذرات متعادلة، والنحاس في المحلول أيونات موجبة (Cu²⁺).

• أثناء التفاعل: تفقد ذرة الخارصين إلكترونين وتتحول إلى أيون خارصين موجب (Zn²⁺). هذا هو نصف تفاعل الأكسدة:

  Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

• يكتسب أيون النحاس هذين الإلكترونين ويتحول إلى ذرة نحاس متعادلة. وهذا نصف تفاعل الاختزال:

  Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

التعريفات (المصطلحات بالضبط كما وردت)

• الأكسدة: عملية كيميائية تفقد فيها الذرة أو الأيون إلكترونًا أو أكثر.
• الاختزال: عملية كيميائية تكتسب فيها الذرة أو الأيون إلكترونًا أو أكثر.
• العامل المؤكسد: المادة التي تكتسب إلكترونًا أو أكثر أثناء التفاعل (فتؤكسد غيرها).
• العامل المختزل: المادة التي تفقد إلكترونًا أو أكثر أثناء التفاعل (فتختزل غيرها).

في المثال: الخارصين عامل مختزل (يفقد إلكترونات ويتأكسد)، وأيونات النحاس في كبريتات النحاس عامل مؤكسد (تكتسب إلكترونات وتُختزل).

قاعدة مهمة:

• الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان؛
• أي تحدثان معًا دائمًا، فلا تحدث أكسدة دون اختزال، لأن الإلكترونات التي يفقدها شيء لا بد أن يكتسبها شيء آخر.
• ويمكنك تذكر ذلك بعبارة: "العامل المختزل يتأكسد، والعامل المؤكسد يُختزل".

تدريب:

• في التفاعل Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu، حدّد المؤكسد والمختزل.
• الحل: الحديد يفقد إلكترونين (Fe → Fe²⁺) فهو المختزل، وأيون النحاس Cu²⁺ يكتسبهما فهو المؤكسد.

ملخص الدرس الأول:

• أنواع التفاعلات الرئيسة هي: الاتحاد المباشر، الانحلال، الإحلال البسيط (فلز مع حمض أو ماء أو محلول ملح)، الإحلال المزدوج (تعادل، حمض مع ملح، ترسيب)، وكل التفاعلات التي يتغير فيها عدد الإلكترونات هي أكسدة واختزال.
• ومتسلسلة النشاط هي المفتاح للتنبؤ بحدوث تفاعلات الإحلال البسيط.

السؤال الافتتاحي: لماذا تشتعل أوراق الأشجار بسهولة بينما يحتاج غصن الشجرة وقتًا أطول؟ ولماذا تتصاعد سحب الدخان الأسود من حرائق الغابات؟

الاحتراق: تفاعل كيميائي بين مادة والأكسجين ينتج عنه حرارة أو ضوء أو كلاهما، وتتكوّن مواد جديدة تختلف حسب نوع المادة المحترقة.

مثلث الاحتراق (مثلث النار)

لكي يحدث الاحتراق ويستمر يجب أن تجتمع ثلاثة عناصر معًا:

1. المادة القابلة للاشتعال (الوقود).
2. الأكسجين.
3. طاقة حرارية (مصدر اشتعال).

• إذا أُزيل أي ضلع من أضلاع المثلث انطفأ الحريق: بتغطية النار (منع الأكسجين) أو إبعاد الوقود أو التبريد بالماء (سحب الحرارة).
• وهذا هو أساس طرق الإطفاء.

درجة الاشتعال

تجربة:

• نملأ كوبًا ورقيًا بالماء ونترك كوبًا ورقيًا آخر فارغًا، ونشعل شمعة أسفل كل منهما.
• نلاحظ أن الكوب الفارغ يشتعل أسرع ويحترق أولًا، بينما الكوب المملوء بالماء لا يحترق.

التفسير:

• لا يبدأ الاحتراق إلا إذا وصلت المادة إلى درجة اشتعالها.
• الكوب الفارغ ترتفع حرارته بسرعة فيصل إلى درجة اشتعاله، بينما الماء داخل الكوب الآخر يمتص الحرارة فتبقى درجة حرارة الورق أقل من درجة الاشتعال.

• درجة الاشتعال: أقل درجة حرارة يجب أن تصل إليها المادة لكي تبدأ في الاشتعال وتستمر في الاحتراق تلقائيًا.
• قابلية الاشتعال: تعبّر عن سهولة وسرعة اشتعال المادة عند درجات الحرارة المحيطة بها. المواد ذات درجة الاشتعال المنخفضة قابلة للاشتعال بسهولة (البنزين والكحول)، وتُسمى مواد ملتهبة، وتوضع على خزاناتها علامات تحذيرية.

احتياطات الأمان: عند التعامل مع اللهب نرتدي معدات الوقاية (نظارات وقفازات)، ونبعد المواد القابلة للاشتعال، ونُجهّز أدوات الإطفاء.

تطبيق: كيف يشتعل عود الثقاب؟

• رأس عود الثقاب يحتوي على مادة مؤكسدة مثل كلورات البوتاسيوم (KClO₃)، ومواد سريعة الاشتعال، بالإضافة إلى مواد لاصقة ومسحوق زجاج أو رمل.

• الجانب الخشن في علبة الثقاب يحتوي على الفوسفور الأحمر ومواد لاصقة ومسحوق زجاج أو رمل.

• عند حك العود بالعلبة تُحوّل حرارة الاحتكاك كمية ضئيلة من الفوسفور الأحمر إلى فوسفور أبيض يشتعل تلقائيًا في الهواء، فتتحلل كلورات البوتاسيوم محررةً الأكسجين:

  2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

  فيشتعل رأس العود والخشب بشدة بوجود الأكسجين الوفير.

احتراق الفلزات

عند إشعال شريط الماغنسيوم يحترق بلهب أبيض ساطع ويتكوّن مسحوق أبيض (MgO):

2Mg + O₂ → 2MgO

القاعدة: تحترق معظم الفلزات وتنتج أكاسيد فلزية قاعدية. بعض هذه الأكاسيد يذوب في الماء فيعطي محلولًا قلويًا يحوّل لون صبغة دوار الشمس إلى الأزرق.

احتراق اللافلزات

يتوهّج الفحم (الكربون) عند احتراقه ويتصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون:

C + O₂ → CO₂

القاعدة: تحترق معظم اللافلزات وتنتج أكاسيد لافلزية حمضية. معظمها يذوب في الماء مكوّنًا حمضًا يحوّل صبغة دوار الشمس إلى الأحمر (مثل CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃).

الاحتراق التام والاحتراق غير التام

تجربة موقد بنزن:

• نضع ماء في أنبوبة اختبار ونعرّضها للهب بنزن مع فتح صمام الهواء كاملًا (لهب أزرق) لمدة دقيقة، ثم نغلق صمام الهواء جزئيًا فيتحول اللهب إلى أصفر ونعرّض الأنبوبة له دقيقة.

• مع اللهب الأزرق: تبقى قاعدة الأنبوبة نظيفة.
• مع اللهب الأصفر: تتكوّن طبقة من مسحوق أسود (كربون غير محترق، أي السناج) على قاعدة الأنبوبة.

معلومة:

• الغازات المستخدمة في موقد بنزن والمواقد المنزلية تنتمي إلى الهيدروكربونات، وهي مركبات تتكوّن أساسًا من عنصري الهيدروجين والكربون.
• الغاز الطبيعي يتكوّن أساسًا من الميثان (CH₄)، وغاز البوتاجاز معظمه بروبان وبيوتان.

الاحتراق التام للهيدروكربونات: يحدث عند توافر وفرة من الأكسجين، وينتج ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء وكمية كبيرة من الطاقة الحرارية:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + طاقة

الاحتراق غير التام: يحدث عند عدم توافر كمية كافية من الأكسجين، وتعتمد نواتجه على كمية الأكسجين المتاحة. في حالة الميثان:

• 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O + طاقة (ينتج أول أكسيد الكربون السام)
• CH₄ + O₂ → C + 2H₂O + طاقة (ينتج الكربون "السناج")

ملاحظة مهمة: الاحتراق غير التام لكتلة معينة من الوقود يطلق طاقة حرارية أقل من الاحتراق التام لنفس الكتلة.

نلاحظ أن النقص في الأكسجين يقلل ما يلزم منه ويغيّر النواتج من CO₂ إلى CO ثم إلى C.

تطبيق: لون اللهب في موقد الغاز المنزلي

• لهب أزرق: يدل على توافر أكسجين كافٍ فيحدث احتراق تام؛ ينتج CO₂ وبخار ماء وحرارة كبيرة، فيكون التسخين أسرع واستهلاك الغاز أقل.
• لهب أصفر أو برتقالي: يدل على احتراق غير تام لنقص الأكسجين؛ ينتج غاز أول أكسيد الكربون السام ويتكوّن سناج أسود يترسب على الأواني، وتقل كفاءة التسخين. العلاج: تنظيف فتحات الموقد أو ضبط دخول الهواء.

الكشف عن نواتج الاحتراق

نركّب جهازًا: موقد بنزن يُشعل، وقمع مقلوب فوق اللهب موصول بأنبوبة ذات شعبتين تحتوي ورقة كلوريد الكوبالت اللامائي الأزرق الباهت وتحيط بها قطع من الثلج، ثم نوصّل الأنبوبة بكأس ماء الجير الرائق.

• بخار الماء الناتج يتكاثف بفعل الثلج إلى ماء، فيتحول لون ورقة كلوريد الكوبالت من الأزرق الباهت إلى الوردي، وهذا كاشف للماء.
• غاز ثاني أكسيد الكربون يجعل ماء الجير الرائق عكرًا.

الاستنتاج: الاحتراق التام للغاز الطبيعي (هيدروكربون) ينتج CO₂ وبخار الماء.

خواص أهم نواتج الاحتراق

تختلف نواتج الاحتراق حسب التركيب الكيميائي للمادة المحترقة وكمية الأكسجين المتاحة:

مفهوم متقاطع (الاستقرار والتغيير):

• في تفاعلات الاحتراق يتغير تركيب المتفاعلات لكن الكتلة الكلية للنواتج تساوي الكتلة الكلية للمتفاعلات (قانون بقاء المادة).
• ومع ذلك فإن تراكم نواتج الاحتراق قد يغيّر عوامل البيئة وصحة الإنسان بمرور الوقت.

أولًا: حرق المخلفات الزراعية (قش الأرز)

• يحرق بعض المزارعين "قش الأرز" في الحقول للتخلص منه وتجهيز الأرض للمحصول التالي بسرعة.
• يكون الاحتراق غير تام غالبًا بسبب تكدّس كومات القش وقلة الأكسجين.
• يتصاعد كميات كبيرة من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والسناج المعلّق، فتتكوّن دخان كثيف يُعرف بالسحابة السوداء، وتؤدي إلى مشكلات في التنفس وزيادة حالات الربو والحساسية الصدرية.
• حلول بديلة: تدوير القش في صناعة الأعلاف والسماد العضوي (الكمبوست) والورق والألواح الخشبية المضغوطة، أو استخدامه في توليد الطاقة (الغاز الحيوي) بدلًا من حرقه في الحقول.

ثانيًا: الاحتراق في محركات السيارات

• يُحرق الوقود داخل المحرك فتنتج طاقة حرارية تتحول إلى طاقة ميكانيكية تحرك السيارة.
• يخرج العادم: أول أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون، السناج، وأكاسيد النيتروجين. وهو من أهم أسباب تلوث هواء المدن.
• يزداد الاحتراق غير التام إذا قلّ الهواء المضخوخ أو انخفضت كفاءة المحرك.

طرق الحد من التلوث:

1. صيانة المحرك بانتظام.
2. استخدام وقود أقل تلويثًا (الغاز الطبيعي) أو التحول إلى السيارات الكهربائية.
3. الاعتماد على وسائل النقل الجماعي صديقة البيئة.

تطبيق تكنولوجي: المحول الحفزي (علبة البيئة).

• يوضع في نظام عادم السيارة، ويحتوي عوامل حفازة (مواد تزيد سرعة التفاعل دون أن تتغير)، تسرّع تفاعلات أكسدة واختزال تحوّل الغازات السامة (أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين) إلى مواد أقل ضررًا (ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين).

ثالثًا: الاحتراق في الصناعة

• الاحتراق مصدر الطاقة في صناعات كثيرة: صهر المعادن، السيراميك، الأسمنت، تكرير البترول.
• كثير من محطات الكهرباء تحرق وقودًا حفريًا (فحم، غاز طبيعي) لإنتاج البخار الذي يدير التوربينات والمولدات.

طرق الحد من التلوث الصناعي:

1. الاعتماد على الغاز الطبيعي وقودًا أقل تلويثًا.
2. تركيب فلاتر لتنقية الغازات قبل خروجها من المداخن.
3. استخدام مصادر الطاقة المتجددة (الشمس والرياح) في توليد الكهرباء.

لماذا يُفضّل الغاز الطبيعي على الفحم؟

• لأن انبعاثات CO₂ منه أقل، وأكاسيد الكبريت ودقائق الكربون فيه منخفضة، بينما احتراق الفحم الحجري ينتج نسبة أعلى من CO₂ وكميات أكبر من أكاسيد الكبريت والسناج.

تطبيق تكنولوجي: أجهزة غسل الغازات الحمضية.

• تُمرَّر الغازات الحمضية السامة (مثل SO₂) في مداخن المصانع خلال رذاذ من محاليل قلوية فتحدث تفاعلات تعادل وتترسب كأملاح، مما يقلل من الأمطار الحمضية والضباب الدخاني.

مفهوم متقاطع (السبب والنتيجة): زيادة عمليات الاحتراق تؤدي إلى زيادة انبعاثاتها، فيختل التوازن البيئي.

مقارنة بين المحول الحفزي وجهاز غسل الغازات:

ملخص الدرس الثاني:

• الاحتراق يحتاج وقودًا وأكسجينًا وحرارة؛
• ويكون تامًا (CO₂ وماء) أو غير تام (CO وكربون)؛
• وتختلف نواتجه في الخواص والخطورة؛
• وتتلوث البيئة بحرق المخلفات والسيارات والمصانع، ويمكن الحد من التلوث بحلول تقنية وسلوكية.

التبغ نبات

• ينمو في المناطق الدافئة وشبه الاستوائية، له ساق مستقيمة سميكة وأوراق كبيرة وأزهار أنبوبية (بيضاء أو وردية أو حمراء).
• تُجفَّف أوراقه وتُصنَّع منها السجائر.

تجربة الكشف عن نواتج الاحتراق:

• تُثبَّت سيجارة في غطاء زجاجة بلاستيكية شفافة مملوءة بالماء إلى ثلثيها، وفي فوهتها قطعة قطن أبيض.
• عند إشعال السيجارة وفتح ثقب أسفل الزجاجة يتدفق الماء ويسحب معه الهواء ودخان السيجارة عبر القطن؛
• فيتحول لون القطن من الأبيض إلى البني الداكن نتيجة ترسب بعض نواتج الاحتراق بين ألياف القطن (القطران).

أهم المواد في التبغ ودخانه

1. النيكوتين: مركب عضوي طبيعي قلوي التأثير يحتوي على الكربون والهيدروجين والنيتروجين. تبخّره الحرارة المرتفعة لإشعال السيجارة فيمتزج بالدخان ويستنشقه المدخن. وهو المسؤول عن الإدمان.
2. الغازات الناتجة عن الاحتراق:
   • غازات سامة: أول أكسيد الكربون (CO) وسيانيد الهيدروجين (HCN).
   • غازات مهيجة: أكاسيد النيتروجين (NO و NO₂) والأمونيا (NH₃).
3. السكريات والبروتينات النباتية والألياف: مواد توجد طبيعيًا في الأوراق، وعند احتراقها (غير التام) تنتج أول أكسيد الكربون والقطران، وهو سائل لزج داكن يتكوّن من خليط نواتج احتراق السكريات والبروتينات والألياف.
4. العناصر المعدنية: منها عناصر غير سامة بالكمية الموجودة مثل البوتاسيوم والكالسيوم، وعناصر ثقيلة سامة مثل الكادميوم والرصاص والزرنيخ.
5. العناصر المشعة: بكميات قليلة تسبب ضررًا إشعاعيًا لرئتي المدخن، ومنها البولونيوم-210.

مصير العناصر المعدنية والمشعة أثناء التدخين

1. التطاير: تتبخر بعض المعادن الثقيلة والعناصر المشعة عند اشتعال التبغ وتتحول إلى غازات أو تلتصق بجزيئات القطران الدقيقة.
2. الاستنشاق: تدخل ذرات العناصر المشعة إلى الرئتين وتترسب في تفرعات الشعب الهوائية.
3. التراكم الإشعاعي: يؤدي إلى تلف الحمض النووي (DNA) في خلايا الرئة، فيزيد خطر الإصابة بالسرطان.
4. الرماد: يحتوي على المعادن غير المتطايرة (كالكالسيوم والبوتاسيوم)، وهي التي تعطي الرماد لونه الأبيض أو الرمادي.

النتيجة:

• السيجارة ليست مجرد لفافة أوراق نباتية؛
• فاشتعالها يطلق تفاعلات معقدة تنتج آلاف المواد الكيميائية، معظمها غازات سامة ومواد مسرطنة.
• ويعدّ التدخين من أكبر المخاطر التي تهدد الصحة العامة؛
• إذ تقدّر منظمة الصحة العالمية وفيات التدخين بما يزيد على 8 ملايين شخص سنويًا.

أولًا: الأضرار الصحية

1. الجهاز التنفسي:

   • يتحول لون الرئتين من الوردي الطبيعي إلى الداكن أو الأسود بسبب ترسب القطران ودقائق المواد الكيميائية في الأنسجة، فتتراجع القدرة على بذل المجهود، ويزداد خطر سرطان الرئة.

   التركيب والوظيفة:

   • الحويصلات الهوائية صغيرة الحجم، رقيقة الجدر، كثيرة العدد، فتوفر مساحة سطح كبيرة لتبادل الغازات (الأكسجين وثاني أكسيد الكربون) بين الرئتين والدم.

   النفاخ الرئوي (Emphysema): يترسب القطران اللزج تدريجيًا على الجدر الداخلية للحويصلات فتفقد الأنسجة مرونتها، ومع التراكم تتمزق الجدر وتتحول الحويصلات من أكياس صغيرة كثيرة إلى تجاويف كبيرة مترهلة، فتقل مساحة سطح التبادل بشدة، ويعاني المريض ضيقًا مزمنًا في التنفس ونقصًا في الأكسجين الواصل إلى الدم.

2. الجهاز الدوري (القلب والأوعية):

   • يرتبط أول أكسيد الكربون بهيموجلوبين الدم أسرع بكثير من ارتباط الأكسجين به، فتقل نسبة الأكسجين المحمولة في الدم.
   • ويزيد النيكوتين معدل ضربات القلب وضغط الدم ويُضيّق الأوعية الدموية، فيرتفع خطر أمراض القلب وتصلب الشرايين.

3. الجهاز العصبي والحواس:

   • قد يسبب النيكوتين التوتر واضطرابات النوم والرؤية، وعلى المدى الطويل قد يؤثر في وظائف الدماغ والتركيز، خاصة لدى المراهقين.

4. الخصوبة والصحة الإنجابية: يؤثر سلبًا في الخصوبة لدى الجنسين، ويزيد خطر التشوهات الجنينية.

5. المناعة والمظهر العام: يُضعف جهاز المناعة، ويظهر أثره في شحوب الجلد وتساقط الشعر.

6. الإدمان:

   • يصل النيكوتين إلى الدماغ بسرعة ويحفّز إفراز مواد تعطي شعورًا مؤقتًا بالراحة، ويزول التأثير سريعًا فيدفع إلى تكرار التدخين، فيصبح عادة ضارة يصعب التخلص منها.

ثانيًا: الأضرار البيئية

1. تلوث الهواء: ينطلق CO₂ بكميات كبيرة فيسهم في الاحتباس الحراري (ارتفاع درجة حرارة الأرض نتيجة زيادة نسبة بعض الغازات في الغلاف الجوي). وتقدّر منظمة الصحة العالمية أن التدخين يطلق عشرات الملايين من الأطنان من CO₂ سنويًا.
2. تلوث الماء والتربة: أعقاب السجائر من أكثر النفايات انتشارًا، وتحتوي مواد كيميائية ضارة تتسرب إلى التربة والمياه وتؤثر في الكائنات الحية؛ وتنتهي تريليونات من مرشحات (فلاتر) السجائر في المحيطات والأنهار وعلى الشواطئ.

ثالثًا: أنواع التدخين

• التدخين التقليدي: حرق أوراق التبغ في السجائر، وينتج دخانًا كثيفًا محمّلًا بآلاف المواد السامة (القطران وأول أكسيد الكربون ...) تضر الرئتين والقلب ضررًا مباشرًا.
• التدخين الإلكتروني: جهاز يسخن سائلًا يحتوي النيكوتين لإنتاج "بخار" يحمل جزيئات دقيقة ومواد سامة، ويؤدي إلى سرعة الإدمان، وقد يسبب اضطرابات حادة في القلب والجهاز العصبي. وبذلك لا يُعد بديلًا آمنًا عن السجائر العادية.

رابعًا: أشكال التعرض

• التدخين المباشر (النشط): استنشاق المدخن للدخان أو الرذاذ إلى رئتيه عن قصد.
• التدخين السلبي: استنشاق غير المدخنين الدخان الذي ينفثه المدخن، أو الدخان المتصاعد من طرف السيجارة المشتعلة (وهو أخطر لأنه يحتوي تركيزات أعلى من الغازات السامة والمسرطنة لأنه لا يمر عبر فلتر السيجارة). فالواقف بجوار المدخن معرّض لأمراض القلب والجهاز التنفسي نفسها.

خامسًا: الوقاية من التدخين

• اتخذ قرار الرفض وتعلّم أن تقول "لا".
• اختر أصدقاء إيجابيين وابتعد عن من يشجعون على التدخين.
• اشغل وقتك بأنشطة مفيدة (رياضة، قراءة، هوايات).
• تجنّب أماكن التدخين لحماية نفسك من التدخين السلبي.
• اطلب المساعدة عند الضغط من أصدقاء: تحدّث إلى أحد الوالدين أو المعلم.
• تعرّف على أضرار التدخين؛ فكلما زادت معرفتك قويت قدرتك على تجنبه.

ملخص الدرس الثالث:

• التبغ يحتوي النيكوتين والقطران والغازات السامة والمعادن الثقيلة والعناصر المشعة؛
• ويضر الرئتين والقلب والأعصاب والمناعة، ويلوث الهواء والتربة والماء؛
• ويضر المدخن والمحيطين به؛
• والوقاية تبدأ بقرار واعٍ وبيئة داعمة.