الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12
15البلاستيك والمواد الاصطناعية
عُدّ الأجسام البلاستيكية التي تلمسها في صباح واحد: فرشاة الأسنان، والقارورة، ومعطف المطر، وغطاء الهاتف، ومقعد الحافلة، وكيس التسوق. لم يكن أي منها تقريبًا موجودًا قبل مئة وعشرين سنة، ولم ينبت أي منها على شجرة ولا استُخرج من باطن الأرض. البلاستيك مواد اخترعها الكيميائيون — خفيفة، ورخيصة، وكتيمة للماء، وتتشكل على أي هيئة — وهذا النجاح نفسه صار مشكلة.
ما تعرفه من قبل
المواد الطبيعية تُستعمل كما توجد في الطبيعة تقريبًا؛ والمواد المصنّعة تُصنع من المواد الأولية بتغييرها، وإعادة التدوير تحوّل مادة الأجسام القديمة إلى أجسام جديدة (الفصل 7). واحتراق وقود مكوّن من الكربون والهيدروجين يعطي ثنائي أكسيد الكربون والماء (الفصل 14).
15.1 المواد الطبيعية والمواد الصناعية والمواد الاصطناعية
تعريف 15.1 (المواد الصناعية والمواد الاصطناعية)
من بين المواد المصنّعة، تُصنع المادة الصناعية بتحويل مادة طبيعية تحويلًا كيميائيًا: كالورق والفسكوز (وهو نسيج) المصنوعين من سليلوز الخشب. أما المادة الاصطناعية فتُصنع من مواد بناها الكيميائيون، وفي الغالب من النفط الخام، وليس لها نظير في الطبيعة: النايلون، والبوليستر، وأنواع البلاستيك.
15.2 ما البلاستيك
تعريف 15.2 (البلاستيك)
البلاستيك مادة اصطناعية مكوّنة من جزيئات طويلة جدًا، يمكن تشكيلها بالقولبة — وفي الغالب وهي ساخنة لينة — وتحتفظ بشكلها حين تبرد. ومعظم أنواع البلاستيك تُصنع من النفط الخام أو الغاز الطبيعي.
ملاحظة 15.3 (جزيئات طويلة جدًا)
جزيء الماء يحوي ثلاث ذرات؛ أما جزيء البلاستيك فقد يحوي عشرات الآلاف منها، مرتبطة في سلسلة طويلة، كعقد من خرز متماثل. أما كيف تُبنى هذه السلاسل فموضوع فصل في آخر هذا الكتاب.
لمحة تاريخية — الباكليت، 1907
صنع الكيميائي ليو بيكلاند أول بلاستيك اصطناعي بالكامل سنة 1907، من الفينول، المستخرج من قطران الفحم، والفورمالدهيد. وصار الباكليت، الصلب الداكن المقاوم للحرارة، مادة الهواتف وأجهزة الراديو ومفاتيح الكهرباء. ثم جاء النايلون في ثلاثينيات القرن العشرين، ثم بلاستيك القوارير والأكياس بعد الحرب العالمية الثانية.
15.3 أنواع البلاستيك الرئيسية ورموزها
تعريف 15.4 (رمز تعريف الراتنج)
رمز تعريف الراتنج عدد من 1 إلى 7، يُطبع داخل مثلث من الأسهم على الجسم البلاستيكي، ويسمّي البلاستيك الذي صُنع منه، كي يمكن فرزه لإعادة التدوير. والمثلث لا يعني أن الجسم سيُعاد تدويره.
قضية 15.5 (سبعة رموز)
الرموز، مع أشيع استعمالات كل نوع من البلاستيك:
| الرمز | البلاستيك | أجسام نموذجية |
|---|---|---|
| 1 | PET، بولي إيثيلين تيريفثالات | قوارير الماء والمشروبات الغازية، ألياف الصوف الاصطناعي |
| 2 | HDPE، بولي إيثيلين عالي الكثافة | قوارير الحليب والشامبو، الأغطية |
| 3 | PVC، بولي كلوريد الفينيل | الأنابيب، أطر النوافذ، الكوابل |
| 4 | LDPE، بولي إيثيلين منخفض الكثافة | الأكياس، الأغشية |
| 5 | PP، بولي بروبيلين | علب اللبن، أغطية القوارير، صدّامات السيارات |
| 6 | PS، بوليستيرين | الأكواب والصواني الرغوية، علب الأقراص المدمجة |
| 7 | أنواع بلاستيك أخرى | خلائط، أغلفة متعددة الطبقات |
15.4 البلاستيك الحراري واللدائن المتصلّدة بالحرارة
تعريف 15.6 (البلاستيك الحراري والبلاستيك المتصلّد بالحرارة)
البلاستيك الحراري يلين كلما سُخّن ويتصلب من جديد حين يبرد: فيمكن صهره وقولبته مرة بعد مرة (PET، والبولي إيثيلين، وPVC، والبولي بروبيلين، والبوليستيرين). أما البلاستيك المتصلّد بالحرارة فيتصلب نهائيًا حين يُسخَّن ويُقولب أول مرة: فإذا سُخّن من جديد لم يلن بل تفحّم (الباكليت، وراتنجات المواد اللاصقة وهياكل القوارب).
ملاحظة 15.7 (أيها يُعاد تدويره)
البلاستيك الحراري يمكن صهره وإعادة قولبته: فهو البلاستيك الذي يُعاد تدويره في أجسام جديدة. أما البلاستيك المتصلّد بالحرارة فلا يمكن صهره من جديد.
15.5 البلاستيك في البيئة
قضية 15.8 (البلاستيك يدوم)
استهلك العالم نحو 460 مليون طن من البلاستيك سنة 2019 ورمى نحو 353 مليون طن من نفاياته؛ ولم يمثل البلاستيك المعاد تدويره إلا نحو من البلاستيك المستعمل. والبلاستيك لا يتحلل: بل يتكسر في الطبيعة إلى قطع أصغر فأصغر، هي اللدائن الدقيقة، التي توجد في الأنهار والمحيطات والتربة وأجسام الحيوانات.
ملاحظة 15.9 (حرق البلاستيك)
البلاستيك يحترق، ويصنع ثنائي أكسيد الكربون حين يحترق احتراقًا تامًا. لكنه إذا أُحرق في نار حديقة احترق احتراقًا غير تام وأطلق السخام وأول أكسيد الكربون ومواد ضارة أخرى؛ وبلاستيك PVC، الذي يحوي الكلور، يطلق كلوريد الهيدروجين، وهو غاز أكّال. ولا تُحرق نفايات البلاستيك إلا في محارق بُنيت لتنقية أدخنتها.
15.6 تمارين
تمرين 15.1 ★
طبيعية أم صناعية أم اصطناعية؟ القطن، والنايلون، والورق، والصوف، والبوليستيرين، والفسكوز.
حل
حل التمرين 15.1.
طبيعية: القطن، والصوف. صناعية: الورق، والفسكوز. اصطناعية: النايلون، والبوليستيرين.
تمرين 15.2 ★
من أي مادة أولية تُصنع معظم أنواع البلاستيك؟
حل
حل التمرين 15.2.
من النفط الخام (أو الغاز الطبيعي).
تمرين 15.3 ★
أي بلاستيك رمزه 1؟ أعطِ جسمًا مصنوعًا منه.
حل
حل التمرين 15.3.
PET (بولي إيثيلين تيريفثالات): قوارير الماء والمشروبات الغازية.
تمرين 15.4 ★
ما الفرق بين البلاستيك الحراري والبلاستيك المتصلّد بالحرارة؟
حل
حل التمرين 15.4.
البلاستيك الحراري يلين كلما سُخّن ويمكن إعادة قولبته؛ والبلاستيك المتصلّد بالحرارة يتصلب نهائيًا في المرة الأولى ويتفحم بدلًا من أن يلين.
تمرين 15.5 ★★
علبة لبن تحمل الرمز 5. سمِّ بلاستيكها، وقل هل يمكن من حيث المبدأ صهرها وإعادة قولبتها.
تمرين 15.6 ★★
لماذا لا يعني مثلث الأسهم على جسم ما أن هذا الجسم سيُعاد تدويره؟
تمرين 15.7 ★★
لماذا يُصنع مقبض المقلاة كثيرًا من بلاستيك متصلّد بالحرارة لا من بلاستيك حراري؟
تمرين 15.8 ★★
مستعملًا أرقام هذا الفصل لسنة 2019، ما النسبة المئوية من البلاستيك المستعمل التي صارت نفايات في تلك السنة؟ قرّب إلى أقرب عدد صحيح.
حل
حل التمرين 15.8.
: أي نحو .
تمرين 15.9 ★★
لماذا يجب ألا يُحرق PVC أبدًا في نار حديقة؟
حل
حل التمرين 15.9.
يحوي PVC الكلور: فحرقه يطلق كلوريد الهيدروجين، وهو غاز أكّال، إضافة إلى السخام وأول أكسيد الكربون الناتجين عن الاحتراق غير التام في نار الحديقة.
تمرين 15.10 ★★
تستعمل مدرسة 300 قارورة كتلة كل منها في الأسبوع، طوال 36 أسبوعًا من السنة. ما كتلة البلاستيك هذه في سنة؟
حل
حل التمرين 15.10.
قارورة؛ و g، أي .
تمرين 15.11 ★★★
البولي إيثيلين مكوّن من الكربون والهيدروجين فقط. اكتب نواتج احتراقه التام. واشرح لماذا يضيف حرقه ثنائي أكسيد الكربون إلى الهواء كما يفعل الوقود الأحفوري.
حل
حل التمرين 15.11.
ثنائي أكسيد الكربون والماء. فكربونه يأتي من النفط الخام، المخزّن تحت الأرض ملايين السنين: فحرقه يضيف ثنائي أكسيد الكربون إلى الهواء، كما يفعل حرق الوقود الأحفوري.
تمرين 15.12 ★★★
اشرح كيف يمكن لقارورة بلاستيكية ضاعت في البحر أن تنتهي، بعد سنوات، لدائن دقيقة داخل سمكة.
حل
حل التمرين 15.12.
القارورة لا تتحلل: فالشمس والأمواج تكسّرها قطعًا أصغر فأصغر. وتطفو القطع الدقيقة في الماء أو تغوص، فتبتلعها الأسماك مع غذائها.
15.7 مسألة: خط الفرز
مسألة 15.1
مسألة نهاية الأسبوع — طن من القوارير المستعملة، ورموزها، ورقائق البلاستيك النظيفة التي تخرج من المصنع
يستقبل مصنع لإعادة التدوير رزمًا من قوارير المشروبات المستعملة. فرزمة نموذجية كتلتها () تحوي، بالكتلة: من أجسام القوارير من PET، و من الأغطية (HDPE وPP)، و من الملصقات (غشاء PP) و من الأوساخ وبقايا السوائل. تفصل الآلات الأغطية والملصقات عن أجسام القوارير، وتُطحن مادة PET رقائق، ثم تُغسل الرقائق؛ ويُفقد في الغسيل من مادة PET. ثم تُصهر الرقائق النظيفة وتُغزل أليافًا لسترات الصوف الاصطناعي.
الجزء الأول — البلاستيك.
- أي رمز يُطبع على أجسام القوارير؟ وعلى الأغطية؟
- هل هذه الأنواع من البلاستيك طبيعية أم صناعية أم اصطناعية؟
- هل يمكن صهر مادة PET وغزلها من جديد؟ وأي نوع من البلاستيك يجعله ذلك؟
- لماذا تُفصل الأغطية والملصقات عن أجسام القوارير قبل صهر مادة PET؟
الجزء الثاني — الرزمة.
- ما كتلة مادة PET في الرزمة؟
- ما كتلة الأغطية؟ وما كتلة الملصقات؟
- ما كتلة الجزء الذي ليس بلاستيكًا من الرزمة؟
- ما النسبة المئوية للبلاستيك في الرزمة؟
الجزء الثالث — الرقائق.
- ما كتلة مادة PET التي تُفقد في الغسيل؟
- تحتاج سترة من الصوف الاصطناعي إلى من ألياف PET. لماذا يُفضَّل صنعها من الرقائق لا من PET جديد؟
- يستطيع المصنع أن يحرق الأغطية والملصقات للحصول على الحرارة بدلًا من إعادة تدويرها. سمِّ الغاز الذي يضيفه ذلك إلى الهواء.
- احسب كتلة رقائق PET النظيفة التي تعطيها رزمة واحدة.
حل
حل المسألة 15.1.
1. أجسام القوارير: 1 (PET). الأغطية: 2 (HDPE) أو 5 (PP).
2. اصطناعية: فهي مصنوعة من مواد بناها الكيميائيون، وفي الغالب من النفط.
3. نعم: فمادة PET بلاستيك حراري.
4. يُعاد تدوير كل بلاستيك على حدة: فخليط من أنواع البلاستيك، إذا صُهر معًا، يعطي مادة رديئة.
5. .
6. الأغطية: . الملصقات: .
7. من الأوساخ والسوائل.
8. .
9. .
10. الرقائق توفر النفط الخام وطاقة صنع PET جديد، وتحوّل النفايات إلى جسم نافع.
11. ثنائي أكسيد الكربون (وإذا كان الاحتراق رديئًا، أول أكسيد الكربون والسخام).
12. من رقائق PET النظيفة لكل رزمة.