‏رجال الإطفاء وكيمياء الاحتراق

‏الاحتراق، بكافة أشكاله، تفاعل خلاب، بدءاً من لهب الشمعة الخفيف ومروراً بالراحة التي تبعثها المدفئة ووصولا إلى الترحيب الحار لنار المخيم، لكن يعتبر الاحتراق في هذه الحالات تحت السيطرة، أما في الحالات التي يخرج الاحتراق من تحت السيطرة يتحول ذلك الافتتان إلى رعب تام، ولحسن الحظ، يوجد أناس يواجهون ذلك الرعب باستمرار لحماية آخرين من المخاطر، ويمكن لأية دراسة موجزة لكيمياء الاحتراق أن توضح شدة التحدي الذي يواجهونه. ويعد تفاعل الاحتراق البدائي هو تفاعل أكسدة واختزال مباشر، وعادة يكون المركب المكون في المقام الأول من الهيدروجين والكربون أي الهيدروكربون هو الوقود، وعندما يمتزج الهيدروكربون بالأوكسجين يتفاعلان معا لينتجا ثاني أكسيد الكربون (co₂) والما، وحرارة.

‏هيدروكربون + ‏أوكسجين + ثاني أكسيد الكربون + ‏ماء+ ‏حرارة

‏وفي هذا التفاعل يتأكسد الكربون (يكتسب الكربون أوكسجين هذه المرة حرفياً)، ويكتسب غاز الأوكسجين ما يكفي من إلكترونات لجذب الهيدروجين وتكوين الماء ومن ثم فهو يختزل.

‏الجازولين هو هيدروكربون، والتفاعلات التي تحدث في أسطوانة السيارات هي تفاعلات احتراق يمتزج فيها الهيدروكربون والأوكسجين معاً كما في المعادلة السابقة، لذلك يتكون عادم السيارة، الذي هو ناتج التفاعل، في الأساس من ثاني أكسيد الكربون والماء. والسكر والنشا من الهيدروكربونات أيضا، ولما كان الأوكسجين هو الفاز الذي نتنفسه، وعليه تكون الحرارة الناتجة عن عملية الهضم تفاعل احتراق بالمثل. وهذا الهضم هو نوع من الاحتراق يمكن برهنته بإطفاء شمعة: فاندفاع الهواء الذي به قليل من الأوكسجين والغني بثاني أكسيد الكربون يطفئ اللهب ويمنع عنه الأوكسجين. والخشب والورق والعشب الجاف هيدروكربونات في الأساس: فهي تقوم بدور الوقود الممتاز وتسعر نيراناً مدمرة. ويسبب استهلاك النار للأوكسجين وتكون ثاني أكسيد الكربون الاختناق لرجل الإطفاء الذي تعد مخاطره جسيمة تماما مثل مخاطر الجرح الحراري.

‏ويمكن توضيح ضرورة الأوكسجين للاحتراق عن طريق تنكيس كوب شفاف غير بلاستيكي على شمعة، وبعد أن يستنفد كل الأوكسجين الموجود في الكوب تنطفئ الشمعة. وقد يصعب قليلا إثبات أن ثاني أكسيد الكربون هو ناتج الاحتراق لكنه ليس مستحيلاً: فارتد نظارة الأمان الواقية والقفازات.

‏خذ كوبين متشابهين غير بلاستيكيين (مصنوعين من الزجاج الخالص). ضع ‏في أحدهما أربع ملاعق شاي (٢٠ ‏مليلتر) ماء. أضف نقطتين من دليل قلوية ماء حوض السمك المطلوب شراؤه في ‌ «قائمة المشتريات والمحاليل‌» ضع كلا ‏الكوبين على فرخ ورق أبيض لتوضيح الرؤية، ينبغي أن تلاحظ أن الكوب الذي يحوي الماء قد تلون بلون أزرق مخضو باهت.

‏أشعل الشمعة تحصل على لهب قوي مستمر. نكس الكوب الفارغ فوق الشمعة. اترك اللهب مشتعلا لفترة. انزع الكوب عن الشمعة ثم صب فيه على الفور محلول دليل القلوية من الكوب الآخر، سد فوهة الكوب بـسرعة بكف يدك ثم رج المحلول قليلا حتى يمتزج بالفازات المتصاعدة من لهب الشمعة. ضع الكوب مرة أخرى على الورقة البيضاء ولاحظ تغيير اللون؛ يغير ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغازات المتصاعدة من لهب الشمعة دليل الماء من الأزرق المخضر إلى الأصفر.

‏كيف لنا أن نعرف أن ثاني أكسيد الكربون هو الذي أحدث هذا التغيير؟ خذ كأساً نظيفاً وجهز محلولا آخر مكوناً من: أربح ملاعق شاي ماء (٢٠ ‏مليلتر) مع نقطتين من دليل قلوية حوض السمك، وانفخ بالونا ثم اضغط على فوهتها لتبقيها مغلقة ثم ضع فوهتها في طرف ماصة ثم ضع الطرف الآخر للماصة في محلول دليل القلوية. عندما تخفف من ضغطتك على فوهة البالون ‏يعمل ثاني أكسيد الكربون المنطلق مباشرة من رئتيك، عند نفخ البالون، فقاعات في المحلول وتشاهد الدليل يتحول مرة أخرى من الأزرق المخضر إلى الأصفر.

‏ويمكن إثبات وجود الماء الناتج من الاحتراق باستخدام مكعب ثلج وكوب غير بلاستيكي أو طبق فنجان غير بلاستيكي. نكس الكوب على لهب شمعة دقيقة مع مكعب الثلج بحيث يوضع في وضع متوازن فوق الكوب من الخارج. تتكثف الرطوبة الخارجة من اللهب في جوانب الكوب. ضع مكعب الثلج بالتبادل على الطبق ثم عرض الطبق للهب دون أن يلمس اللهب. تتكثف الرطوبة في قاع الطبق.

‏يمكن أحيانا ملاحظة الرطوبة على ملعقة معدنية معرضة للهب، ولا يكون الماء وحده هو المادة التي نلحظها على الملعقة، إذ يتكون السخام أيضا. ولا تكون عملية الاحتراق دائماً تفاعلاً نظيفاً وبسيطاً كما هو موضح سابقا، لكنها خليط معقد للعديد من التفاعلات التي ينتج عنها بعض

‏شكل ١ ‏- ٣ ‏- ١ ‏: قرب عود ثقاب مشتعل من فتيلة شمعة مطفأة تؤا، فتجد أن اللهب يقفز عبر الفازات المحترقة ويشعل الفتيلة المطفأة مرة أخرى.

‏ الهيدروكربونات أو السخام، وينشأ أكثر آثار الاحتراق إثارة عن عدم اكتمال الاحتراق وأكثر التفاعلات تعقيدا.

‏فعلى سبيل المثال، يمكن أن تنتـشر النيران ككائن حي يتحرك في موجات، فجزء من عملية الانتشار يعزى إلى تساقط أو تطاير الحطام المشتعل، لكن لأن اللهب هو غازات محترقة، فيمكن لهذه الفازات والنيران أن ترحل أينما ترحل الريح. ولترى أن اللهب يحوي غازات محترقة، جرب التجربة الآتية: حاول أن تعثر على منطقة خالية من النسمات، وأخل المنطقة من أية مادة قابلة للاشتعال (بما في ذلك الشعر المتساقط والملابس). ارتد نظارة الأمان الواقية. أشعل شمعة بعود ثقاب خشبي. ابق العود جانباً وهو لا يزال مشتعلا. أطفئ الشمعة ثم على الفور أحـضر عود الثقاب المشتعل بالقرب من الفتيلة المطفئة دون أن تجعل عود الثقاب يلمس الفتيلة كما هو موضح في شكل ١ ‏- ٣ ‏- ١ ‏. يقفز اللهب من عود الثقاب إلى الشمعة إذ ينتقل اللهب بسرعة إلى الفتيلة من طريق الفازات المحترقة. ربما عليك أن تحاول مرتين قبل أن تجريها على نحو صحيح، لكن حتماً ستنجح.

‏ولا تنتشر النيران عن طريق القفز عبر الهواء أو الانتقال عن طريق الحطام المتطاير فحسب، فالتباين في ضغط الهواء يرتبط أيضا بالنيران لأنها تستهلك الأوكسجين وتنتج حرارة، ويسبب استهلاك الأوكسجين خواءً جزئيا في مصدر اللهب المملوء بالهواء القادم من الجوانب. ويسبب التيار الهوائي ‏الساخن فوق اللهب حدوث تيار هوائي صاعد. وتتحد جميع القوى معاً لخلق تيارات حمل حراري وتباين في الضغط لافتة للنظر. وكما أن تباين الضغط الجوي في الغلاف الجوي يفضي إلى حدوث الأعاصير، كذلك يفضي تباين الضغط حول النيران إلى حدوث ما يعرف «بالانفجار» وهو دوامة نارية تتنقل بسرعة تعادل تقريبا سرعة الرياح.

‏وقد ذكر نورمان مكلين في بحثه الرائع«شباب ونيران» أن هذه الظاهرة الطبيعية لا يمكن فهمها فهماً جيداً نظراً لقلة الملاحظات المباشرة المتاحة، إذ ينبغي أن يكون الملاحظ هو أحد الناجين من هذه النيران والشخص الذي ينجو من النيران لا ينتظر في الجوار ليلاحظ ماذا يحدث. ومع ذلك فطبقا للتفاصيل التي أوردها مكلين نجد أن شخصا واحد من رجال الإطفاء مستخدمي المظلات هو من تمكن من النجاة من إحدى هذه الدوامات النارية، لقد احترقت الأجزاء العارية منه في أول الانفجار ثم طمر وجهه في رماد الجثث المحترقة حتى انقضى الانفجار وهو حدث استغرق خمس دقائق حسب ساعته، وأردف أن دوامة النيران سحبته عدة مرات عن الأرض لكنه كان قاداً أن يحفظ أدنى حد من التنفس بسبب الأوكسجين الذي كان قريبا من الأرض. لقد كان هذا الأوكسجين ضروريا للاحتراق الذي يحدث داخل جسمه، تفاعلات الأكسدة والاختزال التي كان ينبغي أن تستمر إذ كان من المقدر له أن يعود ليتلو قصته.

‏ومع أن تفاعلات الأكسدة والاختزال منتشرة للغاية، فإنها بالطبع لا تمثل كل جوانب الكيمياء، فثمة نوع آخر شائع جدا وغاية في الأهمية من التفاعلات موجود في التفاعلات الحامضية-القاعدية التي تحدث في الهواء وفي البشرة والمعدة والبالوعة وحتى في حمامات السباحة وأحواض الأسماك. فدليل قلوية حوض السمك الذي استخدمناه في الكشف عن ثاني أكسيد الكربون هو دليل للأحماض والقواعد؛ فهو يعمل على الكشف عن ثاني أكسيد الكربون لأن ثاني أكسيد الكربون المذاب في الماء يجعل الماء مشوبا قليلا ببعض الخواص الحامضية. أيبدو الأمر مثيراً؟ واصل القراءة.