بحث عن الفحوم الهيدروجينية

الإدارة المساهمات : 771 تاريخ التسجيل : 08/09/2008

بقلم الدكتور نظمي خليل أبو العطا
ـ الكربون (Corbon) من العناصر المهمة على الأرض , فهو يكون الهيكل الكربوني لكل المركبات الحيوية مثل الجلوكوز (Glucose) , والتريوز (Triose)، والبنتوز (Pentose)، واللاكتوز (Loctose)، والنشا (Starch)، والجليكوجين (Glycogen)، والسليلوز (Cellulose) وباقي آلاف وملايين المركبات الكربوهيدرات.
ـ وهو يكون الهيكل الكربوني للدهون والشموع والأحماض الأمينية , وهو مكون أساسي ورئيس في الخشب والفحم والبترول والأحماض النووية (Nucleic acids) ومركبات الطاقة , فنحن نعيش في الكرة الأرضية الكربونية مع نباتاتها وحيواناتها وكائناتها الحية الدقيقة وبشرها , ومع كل هذا فنسبته في الهواء الجوي قليلة إذا ما قورنت بالأكسجين (20 % من الهواء الجوي) والنيتروجين حوالي (75 %) أما الكربون (0.3%) فقط والباقي محبوس في جمبع المركبات الحيوية المحتوية على الكربون.
ـ وإذا درست دورة الكربون وقارنتها بدورة النيتروجين Nitrogen cycle))، ودورة الأكسجين (Oxygen cycle)، ودورة الفوسفور (Phosphorus cycle)ودورة الكبريت (Sulfur cycle) وغيرها من دورات العناصر في الكون تجد العجب العجاب في الدورات السابقة تكاد تتساوى أسهم التصعيد والتحرير مع أسهم الإنزال والتثبيت.
ـ فالكل ينفث الكربون في الجو والهواء: المصانع، والمزارع، والمنازل، والمدارس، والسيارات، والطائرات، والحيوان، النبات , والكائنات الحية الدقيقة .
دورة الكربون
والنبات فقط هو وبعض الطلائعيات والأوليات الذي يصفي الجو وينقيه من الكميات الزائدة من الكربون بعملية البناء الضوئي Photosynthesis.
ـ وعندما تختل كمية الكربون في البيئة تظهر ظاهرة الدفيئة أو الاحتباس الحراري أو ظاهرة البيوت الخضراء ( The Greenhouse effect) أو الصوب التي نزرع فيها النباتات حيث تحتبس كميات من الحرارة في جو الأرض كما يحبس البيت الزجاجي الحرارة لتدفئة النبات وهذا سيترتب عليه ذوبان كميات من الجليد ظلت متجمدة لملايين السنين في الأقطاب الباردة على الأرض وفي سفوح الجبال الشاهقة , ولحظتها تغرق الجزر والعديد من البلدان الشاطئية في ظاهرة خطيره.
ـ والكل يحرق الوقود الكربوني , والكل ينفث مركبات الكربون إلى الجو, ويقوم النبات وبعض الكائنات الحية الأولية والطلائعية الأخرى بتثبيت ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الغذاء والخشب والأكسجين والمركبات الكربونية الأخرى.

صورة تبين دورة حياة الكربون في الطبيعة

ـ إذا زاد ثاني أكسيد الكربون مرض الإنسان والحيوان والكائنات الحية الدقيقة , واختل ميزان العدل والاتزان الحيوي , وكانت الطامة الكبرى التي قال الله عنها: )ظهر الفساد في البر والبحر بما كسبت أيدي الناس ([الروم : 41].
ـ والله أمرنا بالإصلاح في الأرض وعدم الإفساد فيها بعد إصلاحها قال تعالى: )ولا تفسدوافي الأرض بعد إصلاحها ([الأعراف : 85].فالله سبحانه وتعالى خلق الأرض صالحة لحياة الإنسان والحيوان والكائنات الحية الدقيقة والنبات، وجعل النبات رئات تنتج الأكسجين وتحرره من الماء، وتثبت الكربون في المواد النباتية، ويساعده في ذلك بعض الأوليات (Monera) والطلائعيات (Protista) فماذا فعلنا في النبات؟!
ـ قطعنا الغابات.
ـ استهلكنا الفحم والخشب والبترول بلا نظام وحساب.
ـ لوثنا البيئة الأرضية بملوثات قضت على النبات والكائنات الحية الدقيقة والطلائعيات.
ولذلك كان فهم دورة الكربون من الواجبات المهمة لكل مسلم ومسلمة مثلها مثل دورة الماء، والبناء الضوئي( Photosynthesis) وهذا ما قصدناه بتيسير هذا المعلومات.

[size=16]عنصر الكربون Carbon Element

الكربون C العنصر السادس في الجدول الدوري، وزنه الذري 12 وتدور حول نواته 6 الكترونات تتوضع في مدارات S و P. و له عدة نظائر كالكربون 13 و الكربون 14 المشع، بنيته البلورية سداسية الوجوه.

يعد الكربون من العناصر الأساسية في تركيب المواد الحية، حيث أنه أساسي في تركيب الآلاف من المركبات العضوية كالفحوم الهيدروجينية المشبعة وغير مشبعة و الكثير من المركبات اللاعضوية.

عرف للكربون شكلان متمايزان هما الغرافيت Graphite و الألماس Diamond و قد عرف في الآونة الأخيرة شكل ثالث للكربون و هو الفوليرين Fullerene على اسم مكتشف هذا الشكل (اسمه بوكمينسر فوليرBuckminster Fuller) و ذلك في ثمانينات القرن العشرين.

يعد الغرافيت شكلا مستقرا للكربون، بينما الألماس يعد شكلا غير مستقرا من الناحية التيرموديناميكية، لكن سرعة تحوله للغرافيت بطيئة جدا.

يوجد الكربون في الطبيعة على شكل فحوم حجرية و غازية و أشكال أخرى غير نقية مثل الكربونات المعدنية مثل CaCO3 و MgCO3 FeCO3 و يوجد في المياه ذات القساوة المؤقتة مثل Ca(HCO3)2 كما يوجد في البترول بشكل مزيج من الفحوم الهيدروجينية. أما في الهواء فيوجد بمقدار 0.03% (نسبة مئوية حجمية) و على شكل ثاني أكسيد الكربون، و يشكل ما نسبته 0.08% من القشرة الأرضية.

· أشكال الكربون

-الألماس

الألماس أقسى المواد المعروفة و أقلها انضغاطية و أكثر المواد شفافية عندما يكون خاليا من العيوب و الشوائب، خامل كيماويا فهو لا يتفاعل مع الحموض و الأسس لكنه يشتعل في الأكسيجين عند تسخينه لدرجة 800 C مئوي مشكلا ثاني أكسيد الكربون.

يوجد في الطبيعة، و بكثرة في جنوب أفريقيا و جنوب أمريكا و الهند و استراليا و لقد اصطنع الألماس عن طريق إخضاع الكربون لضغط عال. و بما أن الألماس هو أكثف أشكال الكربون فإن تشكله يحتاج لضغط عال، و من إحدى الطرق المستخدمة في صناعة الألماس هي إخضاع بلورات الغرافيت إلى صدمات انفجارية حادة و قصيرة تؤدي لضغط لحظي قدره 300000 جو في جزء من مليون من الثانية و عندها تتشكل بلورات صغيرة من الألماس ثماني وجوه صغيرة و يكشف عنها بواسطة الأشعة السينية.

الألماس أقسى المواد الطبيعية المعروفة و هو يخدش جميع المعادن بسهولة، و تعزى قساوته إلى الروابط المشتركة القوية في بنيته، و هو ناقل ضعيف للحرارة و الكهرباء و كثافته هي 3.52 و يتميز بقرينة انكسار عالية (يحلل الضوء بشكل جيد)

-الغرافيت

الغرافيت مادة صلبة بلورية غير شفافة سوداء. و يتشقق إلى صفائح مسدسة الأضلاع و يحدث التشقق بين صفائح ذرات الكربون عن طريق تمزق القوى التكاقؤية الضعيفة.

و الغرافيت ناقل كهربائي و حراري جيد و تساوي كثافته 2.25 و تزداد ناقليته الكهربائية بازدياد درجة الحرارة و هو لين و ينتقل للحالة الغازية عند درجة 3700 مئوية و تحت ضغط جوي 1 جو و لا ينصهر إلا تحت ضغط عال.

الغرافيت أكثر فعالية من الألماس بقليل، فروابط الألماس المشتركة القوية تجعله غير فعال بينما تسمح بنية الغرافيت بالنفاذ إلى صفائح ذرات الكربون.

على الرغم من عدم تفاعله مع الحموض الممددة إلا أنه يتحول إلى أكسيد غرافيتي عند مزجه مع مزيج من حمض الكبريت و الأزوت المركزين و بحضور كلورات البوتاسيوم، و يتشكل أحادي أكسيد الكربون عند صهره بوساطة كربونات الكالسيوم و يتم تحرر هذا الغاز بأسرع مما هو عليه عند الألماس.

-البوكمسنتر فوليرين Buckminster Fullerene

الفولورينات هي أشكال هندسية مؤلفة من ذرات الكربون، و تمثل الشكل الثالث للكربون، روابطها صلبة و تتخذ شكل فراغي كروي سداسي الجوانب، تأخذ أشكالا بيضوية أو أنبوبية أو كروية.

بالنسبة للأشكال الكروية فتسمى بكرات بوكي Bucky balls.

عادة تحوي كرات بوكي 60 ذرة كربون مرتبطة على شكل كرة، و سميت الكرات التي اكتشفت و بها عدد ذرات 32 أو 44 ذرة باسم بوكي بيبي (أطفال بوكي) أما الكرات الأكبر فقد اكتشف منها ما تحتوي على 690 ذرة كربون كحد أقصى في جزيء واحد كروي، و قد اكتشفت أنابيب بوكي و هي أسطوانات من الكربون القاسية على المستوى الذري وهي تطبيقات حديثة قليلة لكنها أظهرت خواص جديدة فهي تستطيع اصطياد الذرات و الجزيئات المتراكبة ضمن تجاويفها الكروية. و يمكن تصورها كوسيلة لنقل المواد عبر الأغشية أو طريقة لتقطيع المركبات انتقائيا. و يمكن أن يقوم التجويف بحماية المواد الحساسة للماء، وقد وجد أن بعض الذرات يمكن أن ترتبط بالتجويف من الخارج، و في بداية التسعينيات اتضح أن مركبات كرات بوكي مع البوتاسيوم أو الروبيديوم تصلح لأن تكون موصلات فائقةSuperconductors .

-صنف من الغرافيت: الفحم

تكون الفحم من نباتات المستنقعات التي ماتت منذ 300 مليون سنة تقريبا (يعزى ذلك إلى ضربة نيزكية تلاها زلازل و براكين). و قد تحللت هذه النباتات ببطء و هي معزولة عن أكسيجين الهواء الجوي بواسطة المياه فتخلصت من الأكسيجين والهيدروجين ليتركز بها الكربون.

و الفحم عامل مختزل لخامات الفلزات، عدا كونه وقودا و تستخدم الصورة الأغنى بالكربون و اسمها الكوك، في صناعة الحديد و الصلب.

و يصنع الكوك بتسخين الفحم بمعزل عن الهواء حيث ينتج غاز قابل للاشتعال يسمى غاز الفحم، و سائل لزج أسود اسمه قطران الفحم.

غاز الفحم هو أول شيء تم استخدامه. و هو غاز قابل للانفجار و سام، نظرا لأنه يتكون يتكون أساسا من الهيدروجين و أول أكسيد الكربون و الهيدروكربونات. و يحتوي آثار ضئيلة من مركبات الكبريت تجعل له رائحة البيض الفاسد و يساعد ذلك التعرف عليه إذا تسرب.

استخدم الغاز في إنارة الطرق و المنازل منذ بداية القرن التاسع عشر في أوروبا.

وجد قطران الفحم أول استخدام له في حماية الأخشاب، و هو مركب معقد من المركبات العضوية الأروماتية التي تضم البنزن و التولوين و و النافثالينات و الفينولات و غيرها.

و باكتشاف المزيد من المركبات في تركيبة قطران الفحم و بتحديدها و دراستها أصبح قطران الفحم الأساس لكيمياء جديدة.

أنواع الفحوم:

الكربون المشوب (فحم عديم الشكل)، الفحم الخشبي، السخام (هباب حرق الشمع)، فحم السكر،الفحم الحجري وغيرها.

و أهمها الوقود و يعرف الوقود السائل بالبترول و الزيت بينما يعرف الوقود الغازي بغاز الفحم الحجري المكون من الميتان CH**4 و الايتيلينC2H2 و أحادي أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون و النتروجين و الأكسيجين.

· تكنولوجيا الكربون

دخل الكربون حديثا في الصناعات بشكل كبير، و خاصة الأنابيب النانوية التي من تطبيقاتها الخلايا الشمسية و أنصاف نواقل و حساسات كيميائية و بيولوجية و الكثير منها.

-الأنابيب الكربونية الممتزة

تعتبر سيارات الوقود الهيدروجيني حلا مثاليا لمشكلة التلوث العالمي، لكن ظهرت مشكلة أخرى و هي كيفية تخزين الهيدروجين ضمن السيارات، عمليا يقدر للأنابيب النانو-كربونية لها أن تكون إحدى الحلول، حيث أنه يبلغ قطر هذه الأنابيب ما يقارب النانومتر و تتميز بقدرة الإمتزاز أي تعلق ذرات الهيدروجين ضمن هذه الأنابيب و تخزن إلى حين الحاجة، لكن تحتاج هذه التقنية إلى درجات حرارة منخفضة و مازالت موضع البحث و التطوير.

و يدرس العلماء خاصية الامتزاز لهذه الأنابيب في مجالات أخرى، حيث أنه لها القدرة على تعليق البكتيريا عليها، و بالتالي قتلها، لذا فالعلماء يدرسون كيفية دمج هذه الأنابيب مع الأدوات المستخدمة يوميا كالتليفونات و غيرها و التي ممكن أن يعلق عليها بكتيريا.

-الدارات الكهربائية و الكربون

يبدو أن العلماء يتسابقون إلى إحالة السليكون في مجال الالكترونيات إلى التقاعد، و جعل الكربون هو مستقبل الدارات، بصنفيه الألماسي و النانوي كنصف ناقل متطور.

إن الخواص العامة التي يتمتع بها الألماس كضعف انضغاطيته و تراص ذراته ومتانة روابطه وفق درجات الحرارة العالية تجعله مناسبا بصورة خاصة لصنع ترانزستورات الفلطية العالية، أي أن ترانزستورات فلطية تشغيل أعظمية أكبر من مماثلاتها في الترانزستورات التقليدية، كما أنها سوف تكون أصغر حجما و سوف تكون سرعة عملها أسرع بنحو 40 إلى مئة مرة من غيرها من الترانزستورات.

يوجد للكربون كالسليكون أربعة تكافؤات، أي أنه يستطيع تكوين أربعة روابط مع 4 ذرات أخرى، مما يمكنه من تشكيل أشكال بلورية ( أي الألماس) كالسليكون.

و نظريا فإن تصنيع بلورات تحل محل بلورات السليكون في أنصاف النواقل المشوبة (التشويب هو إضافة ذرات مختلفة عن ذرات البلورة) في الدايودات و الترانزستورات و غيرها أفضل من بلورات السليكون.

لكن تظهر العديد من المشاكل يسعى العلماء في التغلب عليها، حيث أن بلورات الألماس المصطنعة بالضغط العالي سوف تكون صغيرة جدا بحيث لا تناسب المقاسات المطلوبة، و يؤدي عدم الانتظام في ترتيب الذرات عند حدود الحبيبات إلى جعل رقاقات البلورات غير مناسبة كأنصاف نواقل.

و لصنع نصف ناقل من النوع p يجب تشويب بلورة الألماس بذرات يختلف تكافؤها عن تكافؤ الكربون بمقدار واحد فمثلا من المفترض أن يتم التشويب بذرات البورون B لأن الكربون تكافؤه الأعظمي 4 و البورون 3 و ذلك من أجل تكوين ثقوب موجبة، و الثقب يمنح إمكانية لانتقال الالكترونات أي مرور تيار كهربائي، لكن ذرات البورون ليست بتلك الفعالية العالية، حيث أن أقل من واحد بالمئة من ذرات البورون سوف تكون ثقوبا تسمح بمرور التيار، بالتالي فهو أصبح شبه عازل للتيار، لكنه يصبح ذو ناقلية جيدة في درجات الحرارة المرتفعة و هذه خاصة ليست متوفرة في السليكون.

من التطبيقات الأخرى للأنابيب النانوية الكربونية استبدال السليكون في الدارات الالكترونية بأنابيب كربونية، حيث أن العلماء اكتشفوا أن للأنابيب الكربونية خواص نقل كهربائية أفضل من السليكون في صناعة أنصاف النواقل التي تدخل في تركيب الدايودات و الترانزستورات و غيرها، حيث تصنع الأنابيب الكربونية بتفكيك الفحم إلى الذرات المكونة له باستخدام حرارة القوس الكهربائية أو ليزر، فيتولد ما يسمى الغيمة الكربونية. ثم يضاف إلى الغيمة مسرع تفاعل، و هذا يحفز تشكيل أنواع مختلفة من جزيئات الكربون. مثل كرات بكي و الفليرينات و أنابيب نانوية كربونية حيث أنه يمكن صنع من شبكات نانوية كربونية كأنصاف نواقل (بدلا من التشويب في بلورات السليكون)

مشاكل هذه التقنية، أنها مازالت مكلفة، و تصنيع ترانزستور حالي قائم على أنبوب نانوي منفرد يتطلب عدة أيام لأنه يجمع غالبا بشكل يدوي، و المشكلة الأخرى هي اختلاف أداء الأنابيب فهي تأخذ أشكالا و صيغا مختلفة قليلا، و هذا يؤثر في خواصها الكهربائية.

1-الألماس بدلا من السليكون في الدارت الكهربائية (ألماس مصطنع بدلا من بلورات السليكون) 2-الكربون بدلا من السيلكون في الدارات الكهربائية (أنابيب النانو) · الكربون كمصدر للحياة

بدأت الحياة على الأرض على شكل خلايا بسيطة ذات بنى عضوية قبل عدة مليارات سنة (عمر الارض4.6 مليار سنة) و تحديدا قبل 3.5 مليار سنة حيث أن الأرض قد أصبحت بيئة مناسبة لنمو الأحياء عليها، و يعتبر الكربون (و الهيدروجين) المكون الأساسي للمركبات العضوية، و التي يتفرع منها الأمينات و الحموض الأمينية حيث يوجد في الطبيعة مئة حمض أميني و اللازمة لحياة الكائنات الحية 20 حمض والتي هي الأساسيات في تركيب السلال البروتينية و هي مكونات الخلايا الحية.

وقد تطورت الحياة و تعقدت و تفرعت إلى ما نراه اليوم من تنوع حياتي كالحيوانات و النباتات و ما يتفرع عنهما.

الكربون يتمتع بصفة خاصة و هي تكوين روابط متعددة مع أية ذرات أخرى، و قد يشابهه بها السيليكون Si والقصدير Sn، لكن حتى الآن لم يعرف أي شكل حياتي بنيته مغايرة لمركبات الكربون العضوية، لكن ما هو مصدر المركبات العضوية على الأرض؟؟

ببساطة: النجوم الضخمة ( و تدعى بالمستعرات الفائقة Supernovas) التي كتلتها تساوي على الأقل ثلاثة أضعاف كتلة شمسنا.

فالنجم و أثناء حياته تحدث بداخله سلسلة تفاعلات اندماجية، و تتكون بداخله عناصر، بدءا من الهليوم الخفيف انتهاءا بالعناصر الثقيلة و يتوقف الأمر على كبر النجم فكلما كان النجم أكبر كان دور حدوث التفاعلات النووية أسرع بسبب ارتفاع درجة حرارة نواته.

عند انتهاء حياة هذه النجوم تتضخم و تنفجر بشكل عنيف وفق ما يسمى انفجار المستعر الفائق Supernova Explosion حيث تنسلخ الطبقات الخارجية للنجم و يتشكل غبار غازي في الكون يدعى بالسديم Nebubla ينتشر بسرعات تتراوح بين 5 إلى 100 كم/ثا ويتألف من خليط الكربون و الأكسيجين و النتروجين و غيرها.

يتشكل الكربون في النجوم عند اندماج 3 ذرات هليومHe و ذلك وفق تصادمات عشوائية، حيث أن التصادمات تحدث بوفرة بسبب الهيجان العشوائي لجسيمات المادة. لكن التلاقي الثلاثي أندر بكثير من التلاقي الثنائي. لذا فإن اندماج ثلاث نوى هليوم عملية بطيئة جدا لولا ظاهرة فيزيائية أخرى، و هي أن اندماج الهليوم يتم على مرحلتين:

الأولى تندمج نواتان بشكل مؤقت لتعطيا نواة عنصر البيريلوم Be (العدد الذري :cool: ذي العمر القصير جدا و التي تندمج فيما بعد مع نواة هليوم ثالثية لتعطي الكربون. إن الحظ في تشكل نواة الكربون عندئذ يعتمد على مدى النجاح في تلاقي نواة العنصر المذكور مع نواة هليوم ثالثية. ويكون النصيب فيه كبيرا إذا وصل الجسيم المركب من نواة هليوم و بيريليوم إلى سوية طاقية قريبة من إحدى سويات الطاقة الكمومية الخاصة به. لقد وجد أن المركب النووي للبيريليوم و الهليوم يتمتع فعلا بسوية طاقية قريبة جدا من تلك التي يمكن أن توجد في باطن نجم مشتعل.

لذا فيرجح العلماء تشكل المركبات العضوية مابين النجوم المتفجرة و تبردها على شكل قطع صلبة تدعى النيازك.

و الدليل على وجود البنى الكربونية في الكون رصد مركبات عضوية في كواكب المجموعة الشمسية (بنسب متفاوتة) و في النيازك و المذنبات مثل الكيتونات و الحموض الأمينية و الحموض الكريوكسيلية.

و حتى اليوم فالأرض تستقبل عشرات الأطنان من الغبار الكوني و 50% منه كربون عضوي

لذلك فيرجح أنه أثناء تشكل الأرض أو بعدها وصلت من بقايا نجم ما متفجر، و أن بقايا النجم بردت أصبحت قطعا نيزكية، لذا من المحتمل أن الأرض قبل مليارات السنين تعرضت لهطول نيزكي معين و منه انتقل معه المركبات العضوية، و تشكلت معه بذرة الحياة على كوكبنا، و مما يبدو عليه فإن حياتنا و حياة مجمل الكائنات الحية على الكرة الأرضية قد وجدت و لربما، بالصدفة!

[/size]

شكرا لك على المعلومات

شكرااااااااااااااااااااااااااا

شكرااااااااا لك وفقك الله