الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12

14الاحتراق: أنواع الوقود ونواتجه وغازات الدفيئة

تنام أسرة في شقة انسدّت مدخنة سخّانها الغازي. فاللهب، المحروم من الهواء، يحترق احتراقًا رديئًا، ويملأ الغرفَ ببطء غازٌ لا يُرى ولا رائحة له. وفي الثانية صباحًا يبدأ صندوق صغير على الجدار بالصراخ: إنه جهاز إنذار أول أكسيد الكربون. فيخرج الجميع في الوقت المناسب. والوقود نفسه، إذا احترق جيدًا، لا يعطي إلا ثنائي أكسيد الكربون والماء — ولثنائي أكسيد الكربون هذا قصته الخاصة، مكتوبة في هواء الكوكب كله.

ما تعرفه من قبل

الاشتعال، أو الاحتراق، يحتاج إلى وقود وأكسجين وحرارة، ويُنتج مواد جديدة (الفصل 5). والهواء نحو خمسه أكسجين (الفصل 4). وتكون المعادلة موزونة إذا ظهر كل نوع من الذرات العدد نفسه من المرات في الطرفين (الفصل 13).

14.1 احتراق الكربون والميثان

مثال 14.1 (احتراقان)

يحترق الكربون (الفحم النباتي، الفحم الحجري) فيعطي ثنائي أكسيد الكربون:

\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)}.

ويحترق الميثان، المكوّن الرئيسي للغاز الطبيعي، فيعطي ثنائي أكسيد الكربون والماء:

\ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)}.

وفي الحالتين يتعكّر ماء الجير بالغاز المتكوّن؛ ومع الميثان تتغشى أيضًا كأس باردة.

طريقة 14.2 (كتابة احتراق وقود مكوّن من الكربون والهيدروجين)

لوقود لا تحوي جزيئاته إلا الكربون والهيدروجين:

النواتج هي ثنائي أكسيد الكربون والماء؛
وازن الكربون بالصيغة $\ce{CO2}$ ، ثم الهيدروجين بالصيغة $\ce{H2O}$ ؛
عُدّ ذرات الأكسجين في اليمين ووازنها بالصيغة $\ce{O2}$ ؛ وضاعف كل شيء إن ظهر نصف.

وللبيوتان: $\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}$ .

14.2 الاحتراق التام والاحتراق غير التام

تعريف 14.3 (الاحتراق التام والاحتراق غير التام)

الاحتراق التام يحدث بوجود ما يكفي من الأكسجين: فيصير كل كربون الوقود ثنائي أكسيد الكربون. أما الاحتراق غير التام فيحدث بأكسجين أقل مما يلزم: فيصير جزء من الكربون أول أكسيد الكربون، $\ce{CO}$ ، أو سخامًا، وهو كربون، $\ce{C}$ .

مثال 14.4 (ميثان ينقصه الأكسجين)

إذا قلّ الهواء أمكن أن يحترق الميثان إلى أول أكسيد الكربون أو إلى سخام:

\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}, \qquad \ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}.

قضية 14.5 (قراءة اللهب)

موقد بنزن الذي تكون فتحة الهواء فيه مفتوحة يخلط الهواء بالغاز قبل أن يحترق: فاللهب أزرق لا يكاد يُرى، والاحتراق تام. وإذا أُغلقت فتحة الهواء لم يجد الغاز إلا قليلًا من الأكسجين: فاللهب أصفر، مُدخّن، ويسوّد بالسخام الجسم البارد الذي يُمسك فيه — والاحتراق غير تام.

موقد بنزن. الهواء الذي يدخل من الأسفل يعطي لهبًا أزرق واحتراقًا تامًا؛ ومن دونه يكون اللهب أصفر مُدخّنًا.

ملعقة باردة تُمسك في لهب شمعة أصفر يسوّدها السخام: فالاحتراق غير تام.

14.3 أول أكسيد الكربون، خطر صامت

قضية 14.6 (لماذا يقتل أول أكسيد الكربون)

أول أكسيد الكربون لا لون له ولا رائحة ولا طعم. فإذا استُنشق حلّ محل الأكسجين في الدم (ويشرح كتاب الأحياء كيف)، فيسبب الصداع والنعاس، وفي الغرفة المغلقة فقدان الوعي والموت. ويصنعه كل وقود يحترق وينقصه الهواء: سخّان غاز أو سخّان ماء سيئ الصيانة أو مسدود المدخنة، أو موقد في خيمة مغلقة، أو شواية أو مولّد كهرباء يُستعمل داخل البيت.

السلامة

أول أكسيد الكربون: غاز شديد القابلية للاشتعال (GHS02)، يُورَّد تحت الضغط (GHS04)؛ سام إذا استُنشق (GHS06)؛ يُتلف الأعضاء بالتعرض المتكرر وقد يضر بالجنين (GHS08).

ملاحظة 14.7 (الوقاية من التسمم)

يتعهد أجهزةَ الغاز فنيٌّ مختص بالصيانة بانتظام، ولا تُسد المداخن وفتحات التهوية أبدًا، ولا تُستعمل الشوايات ومولّدات الكهرباء إلا في الخارج، ويُركّب جهاز إنذار لأول أكسيد الكربون قرب كل موقد.

سخّان غاز، وبجانبه جهاز إنذار لأول أكسيد الكربون.

14.4 ثنائي أكسيد الكربون وظاهرة الدفيئة

تعريف 14.8 (غاز الدفيئة)

غاز الدفيئة غاز من غازات الهواء يسمح بمرور ضوء الشمس لكنه يحبس جزءًا من الحرارة التي يرسلها سطح الأرض نحو الفضاء، فيدفّئ الطبقات السفلى من الغلاف الجوي. فبخار الماء وثنائي أكسيد الكربون والميثان غازات دفيئة؛ أما النيتروجين والأكسجين فلا. (ويشرح كتاب الفيزياء كيف يحدث ذلك.)

قضية 14.9 (ثنائي أكسيد الكربون في الهواء في ازدياد)

يُقاس مقدار ثنائي أكسيد الكربون في الهواء دون انقطاع منذ 1959 في مرصد على جبل وسط المحيط الهادئ. فقد كان 316 جزءًا في المليون (ppm) من الهواء سنة 1959 و427 ppm سنة 2025: أي ارتفع بنحو $35\,\%$ في عمر إنسان واحد، وذلك في معظمه من حرق الفحم والنفط والغاز الطبيعي. وثنائي أكسيد الكربون الزائد يقوّي ظاهرة الدفيئة ويدفّئ المناخ.

المتوسط السنوي لثنائي أكسيد الكربون في الهواء، مقيسًا منذ 1959 (بيانات مختبر الرصد العالمي التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي؛ وقبل 1974، معهد سكريبس لعلوم المحيطات).

14.5 الوقود الأحفوري والوقود المتجدد

تعريف 14.10 (الوقود الأحفوري والوقود المتجدد)

الوقود الأحفوري — الفحم الحجري، والنفط، والغاز الطبيعي — تكوّن تحت الأرض على مدى ملايين السنين من بقايا نباتات وكائنات بحرية قديمة. أما الوقود المتجدد فيُصنع من نباتات تُزرع اليوم، أو من النفايات: الخشب، والغاز الحيوي من السماد الحيواني وبقايا الطعام، والإيثانول المصنوع من الشمندر السكري أو قصب السكر.

قضية 14.11 (من أين يأتي الكربون)

تأخذ النباتات ثنائي أكسيد الكربون من الهواء لتنمو. وحرق الوقود المتجدد يعيد ثنائي أكسيد الكربون الذي أخذته نباتاته من الهواء قبل بضع سنوات. أما حرق الوقود الأحفوري فيطلق كربونًا كان محبوسًا تحت الأرض ملايين السنين: فهو يضيف ثنائي أكسيد الكربون إلى الهواء.

الوقود المتجدد يعيد إلى الهواء الكربون الذي أخذته نباتاته منه؛ والوقود الأحفوري يضيف كربونًا كان مخزّنًا تحت الأرض.

14.6 تمارين

تمرين 14.1 ★

اكتب المعادلة الموزونة للاحتراق التام للكربون.

حل

حل التمرين 14.1.

$\ce{C + O2 -> CO2}$ .

تمرين 14.2 ★

ما الفرق بين الاحتراق التام والاحتراق غير التام؟

حل

حل التمرين 14.2.

إذا كفى الأكسجين صار كل الكربون ثنائي أكسيد الكربون (احتراق تام). وإذا قلّ صار جزء منه أول أكسيد الكربون أو سخامًا (احتراق غير تام).

تمرين 14.3 ★

لماذا يُسمى أول أكسيد الكربون خطرًا صامتًا؟

حل

حل التمرين 14.3.

فهو لا لون له ولا رائحة ولا طعم: لا ينتبه إليه أحد، ومع ذلك فهو سام.

تمرين 14.4 ★

أحفوري أم متجدد: الفحم، والخشب، والغاز الطبيعي، والغاز الحيوي، والبنزين، والإيثانول المصنوع من الشمندر السكري؟

حل

حل التمرين 14.4.

أحفوري: الفحم، والغاز الطبيعي، والبنزين. متجدد: الخشب، والغاز الحيوي، والإيثانول المصنوع من الشمندر السكري.

تمرين 14.5 ★★

اكتب المعادلة الموزونة للاحتراق التام للبروبان، $\ce{C3H8}$ .

حل

حل التمرين 14.5.

$\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ .

تمرين 14.6 ★★

يحترق الإيثانول، $\ce{C2H6O}$ ، احتراقًا تامًا في الأكسجين. وازن $\ce{C2H6O + O2 -> CO2 + H2O}$ .

حل

حل التمرين 14.6.

الكربون: 2 $\ce{CO2}$ ؛ الهيدروجين: 3 $\ce{H2O}$ ؛ والأكسجين في اليمين $4 + 3 = 7$ ، منها 1 يأتي من الإيثانول، إذن 3 $\ce{O2}$ : $\ce{C2H6O + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}$ .

تمرين 14.7 ★★

مقلاة تُمسك فوق لهب أصفر يسودّ أسفلها. ما المادة السوداء؟ وماذا تخبرنا عن الاحتراق؟

حل

حل التمرين 14.7.

سخام، أي كربون. فالاحتراق غير تام: اللهب ينقصه الأكسجين.

تمرين 14.8 ★★

اقرأ منحنى ثنائي أكسيد الكربون: كم كان في الهواء من ثنائي أكسيد الكربون تقريبًا سنة 1980 وسنة 2000؟ وبكم ppm ارتفع في هذه السنوات العشرين؟

حل

حل التمرين 14.8.

نحو 339 ppm سنة 1980 ونحو 370 ppm سنة 2000: أي ارتفع بنحو 30 ppm.

تمرين 14.9 ★★

لماذا يضيف حرق الخشب إلى الهواء، على مر السنين، ثنائي أكسيد كربون أقل مما يضيفه حرق الفحم، مع أن كليهما يعطي ثنائي أكسيد الكربون؟

حل

حل التمرين 14.9.

كربون الخشب أخذته الشجرة من الهواء قبل بضع سنوات أو عقود: فحرقه يعيد ثنائي أكسيد الكربون ذاك. أما كربون الفحم فكان مخزّنًا تحت الأرض ملايين السنين: فحرقه يضيف إلى الهواء ثنائي أكسيد كربون جديدًا.

تمرين 14.10 ★★

وازن الاحتراق غير التام للكربون إلى أول أكسيد الكربون، $\ce{C + O2 -> CO}$ .

حل

حل التمرين 14.10.

$\ce{2C + O2 -> 2CO}$ .

تمرين 14.11 ★★★

من 1959 (316 ppm) إلى 2025 (427 ppm)، بأي نسبة مئوية ازداد ثنائي أكسيد الكربون في الهواء؟ قرّب إلى أقرب عدد صحيح.

حل

حل التمرين 14.11.

$(427 - 316)/316 = 111/316 \approx 0.35$ : أي نحو $35\,\%$ .

تمرين 14.12 ★★★

تُستعمل مدفأة غاز في غرفة صغيرة نافذتها مغلقة. اشرح، مستعملًا معادلتين من هذا الفصل، كيف يمكن أن يتحول الاحتراق من تام إلى غير تام مع مرور الوقت، ولماذا يكون ذلك خطرًا.

حل

حل التمرين 14.12.

في البداية يكفي الأكسجين: $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ . ومع استهلاك أكسجين الغرفة المغلقة يحترق اللهب وينقصه الهواء: $\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}$ . فيتراكم في الغرفة أول أكسيد الكربون، وهو عديم الرائحة وسام.

14.7 مسألة: الموقد في الخيمة

مسألة 14.1

مسألة نهاية الأسبوع — موقد تخييم، والغاز الذي يحرقه، وما يصنعه، ولماذا لا يدخل الخيمة أبدًا

يحرق موقد تخييم البروبان، $\ce{C3H8}$ ، من عبوة تحوي $450\,\mathrm{g}$ منه. وفي الهواء الطلق يكون اللهب أزرق. خذ نسب الكتل هذه، المستخرجة من المعادلة الموزونة: $44\,\mathrm{g}$ من البروبان المحترق احتراقًا تامًا تعطي $132\,\mathrm{g}$ من ثنائي أكسيد الكربون.

الجزء الأول — المعادلات.

اكتب المعادلة الموزونة للاحتراق التام للبروبان.
تحقق منها بعدّ الذرات من كل نوع في كل طرف.
وازن الاحتراق غير التام $\ce{C3H8 + O2 -> CO + H2O}$ .
أي الاحتراقين يحتاج إلى أكسجين أكثر لكل جزيء بروبان؟

الجزء الثاني — داخل الخيمة.

موقد يُشعل داخل خيمة مغلقة سرعان ما يحترق بلهب أصفر. علّل.
أي غاز خطر يتكوّن عندئذ؟ اذكر خاصيتين من خصائصه تجعلان الانتباه إليه صعبًا.
تحمل عبوة البروبان رمزي خطر. سمّهما وقل ما يعنيه كل منهما.
اذكر قاعدتين لاستعمال موقد التخييم بأمان.

الجزء الثالث — ثنائي أكسيد الكربون من عبوة واحدة.

كم مرة يزيد ثنائي أكسيد الكربون المتكوّن ثقلًا على البروبان المحترق؟
من أين تأتي الغرامات الزائدة؟
هل البروبان وقود أحفوري أم وقود متجدد؟ وهل يضيف حرقه ثنائي أكسيد الكربون إلى الهواء؟
احسب كتلة ثنائي أكسيد الكربون المنطلقة حين تحترق عبوة كاملة من $450\,\mathrm{g}$ احتراقًا تامًا.

حل

حل المسألة 14.1.

1. $\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ .

2. اليسار: 3 C، و8 H، و10 O. اليمين: 3 C، و $4 \times 2 = 8$ H، و $3 \times 2 + 4 = 10$ O. موزونة.

3. $\ce{2C3H8 + 7O2 -> 6CO + 8H2O}$ .

4. الاحتراق التام: 5 جزيئات أكسجين لكل جزيء بروبان، مقابل $7/2 = 3.5$ للاحتراق غير التام.

5. هواء الخيمة المغلقة سرعان ما ينقصه الأكسجين؛ فلا يعود اللهب يحصل على ما يكفيه منه فيحترق احتراقًا غير تام، أصفر.

6. أول أكسيد الكربون: لا لون له، ولا رائحة (ولا طعم).

7. GHS02، اللهب: شديد القابلية للاشتعال. GHS04، قارورة الغاز: غاز محفوظ تحت الضغط.

8. مثلًا: لا تستعمله إلا في الهواء الطلق، ولا تستعمله أبدًا في خيمة أو في غرفة مغلقة؛ وأبعده عن كل ما يمكن أن يحترق؛ وغيّر العبوة بعيدًا عن أي لهب.

9. $132 \div 44 = 3$ مرات.

10. من أكسجين الهواء، الذي ينتهي في ثنائي أكسيد الكربون (وفي الماء).

11. وقود أحفوري (فهو يأتي من الغاز الطبيعي أو النفط): وحرقه يضيف ثنائي أكسيد الكربون إلى الهواء.

12. $450 \times 3 = 1350\,\mathrm{g} = 1.35\,\mathrm{kg}$ من ثنائي أكسيد الكربون.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد