هل الفحم مركب ؟ ” وماهي مكوناته
ماهو الفحم
الفحم هو مادة صلبة قابلة للاحتراق تحدث بشكل طبيعي في البيئة. يعتبر الفحم واحدا من أهم مصادر الطاقة في العالم وأكثرها وفرة. منذ اكتشافه قبل 4000 عام كوقود للتدفئة والطهي، استخدم في القرنين التاسع عشر والعشرين في توليد الكهرباء وكمواد وسيطة كيميائية. ولا يزال الفحم، جنبا إلى جنب مع النفط والغاز الطبيعي، مصدرا هاما للطاقة.
تمتلك الولايات المتحدة الأمريكية حاليًا 1.7 تريليون طن قصير من موارد الفحم المحددة (الرواسب الطبيعية) فحسب، ولديها احتياطيات كافية من الفحم القابل للاستخدام (الفحم الذي يمكن تطويره للاستخدام) لتلبية احتياجاتها من الطاقة حتى عام 2225.
يوجد في العالم 100 دولة تمتلك احتياطيات قابلة للاسترداد، ومن بين هذه الدول، تمتلك 12 دولة أكبر احتياطيات من الفحم حاليا، وتشمل هذه الدول: كندا وجمهورية الصين الشعبية وروسيا وبولندا وأستراليا وبريطانيا وجنوب إفريقيا وألمانيا والهند والبرازيل وكولومبيا.
هل الفحم مركب
– للإجابة على هذا السؤال، يجب أولاً معرفة ما هي المركبات وما هي العناصر
- العناصر: يعتبر العنصر هو أبسط المواد الكيميائية الكاملة، حيث يتوافق كل عنصر مع إدخال واحد في الجدول الدوري، ويتألف العنصر من نوع واحد من الذرة، وتحتوي كل نوع ذرة على نفس عدد البروتونات.
- المركبات : هو مركب يتكون من عنصرين أو أكثر، ويتألف من ذرات مترابطة كيميائيا بنسبة ثابتة، وله خصائص فريدة تختلف عن خصائص العناصر الفردية. يمكن تحويل المركبات إلى العناصر المكونة لها باستخدام طرق كيميائية أو فيزيائية مناسبة. على سبيل المثال، الماء (H2O) هو مركب يتكون من ذرة أكسجين واحدة مرتبطة كيميائيا بذرتي هيدروجين.
- الخليط: المادة التي تحتوي على مادتين أو أكثر ، سواء كانت عناصرا أو مركبات بنسبة مختلفة ، تعرف بالخليط ، وتتمتع خصائص الخليط بنفس خصائص مكوناته.
واستنادا إلى هذا التعريف، يعتبر الفحم خليطا لأنه يتكون من أكثر من مركب، ولكننا لا نستطيع تحديد نسب ثابتة لتلك المكونات. في الماضي وحتى العشرينيات من القرن العشرين، كان يعتبر عنصرا، حيث كان العلماء يعتقدون أن الفحم يتألف فقط من ذرات الكربون. أما اليوم، تم اكتشاف وجود أنواع مختلفة من الفحم تحتوي على مجموعة من العناصر، وكذلك يحتوي الرماد الناتج عن احتراق الفحم على بعض المواد غير العضوية والأكاسيد.
ما هي مكونات الفحم
بعد أن توصل العلماء لطريقة التقطير الإتلافي للفحم (الحرق في غياب الهواء) وأيضًا استخراج المذيبات (تفاعله مع المذيبات العضوية المختلفة)، وجد أنه يحتوي على كمية كبيرة من الكربون ، ونسب مئوية أصغر من العناصر الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت، كما تشكل المركبات غير العضوية مثل أكاسيد الألومنيوم والسيليكون جزء من تركيب الرماد ، كما ينتج تقطير الفحم القطران والماء والغازات، ويعتبر الهيدروجين هو المكون الرئيسي للغازات المحررة من تقطير الفحم، على الرغم من وجود الأمونيا وأول أكسيد الكربون وغازات ثاني أكسيد الكربون والبنزين والأبخرة الهيدروكربونية الأخرى.
يكون تكوين الفحم القاري بالنسبة المئوية تقريبًا:
- الكربون [C] يتراوح نسبته بين 75-90%.
- الهيدروجين [H] بنسبة تتراوح بين 4.5-5.5%.
- نسبة النيتروجين [N] تتراوح بين ١-١.٥٪.
- نسبة الكبريت (S) تتراوح بين 1-2%.
- نسبة الأكسجين في الهواء تتراوح بين 5-20%.
- الرماد بنسبة تتراوح بين 2-10 %
- والماء بنسبة تتراوح بين 1-10%.
تختلف نسب المركبات المختلفة في الفحم اعتمادًا على نوعه، ويعود السبب في اختلاف أنواع الفحم إلى اختلاف أنواع النباتات التي تشكلالفحم في البداية.
يعتقد الجيولوجيون أن رواسب الفحم الجوفية تشكلت قبل حوالي 250 إلى 300 مليون سنة، عندما كانت جزءا كبيرا من الأرض مغطاة بغابات كثيفة ونباتات. عندما ماتت تلك النباتات والأشجار، غرقت تحت سطح الأرض الرطب. ونظرا لنقص الأكسجين، تحللت ببطء وتكون الخث، ثم حلت الغابات الجديدة والنباتات محل النباتات الميتة. وعندما ماتت الغابات والنباتات الجديدة، غرقت أيضا في أرض المستنقعات. ومع مرور الوقت وتراكم الحرارة، بدأت طبقات النباتات الميتة تحت الأرض في التراكم والضغط، مما أدى إلى ظهور أنواع مختلفة من الفحم، مثل: الأنثراسيت والفحم القاري والفحم تحت القيري والليغنيت.
استخدامات الفحم
يعد الفحم أرخص وأهم مصدر للطاقة، لذلك يتم استخدامه على نطاق واسع في كثير من البلدان لتوليد الطاقة الكهربية ولأغراض أخرى، وفيما يلي قائمة بأهم الاستخدامات الرئيسية للفحم:
- توليد الكهرباء
- إنتاج الصلب
- الصناعات
- التغويز والتسييل
- الإنتاج الكيميائي
- توليد الكهرباء
يستخدم الفحم عمومًا في توليد الطاقة الحرارية، مما يساعد على إنتاج الكهرباء. ويتم حرق الفحم المسحوق عند درجة حرارة عالية، مما يحول الماء إلى بخار، ويتم استخدام هذا البخار لتشغيل التوربينات بسرعة عالية في مجال مغناطيسي قوي. وبعد ذلك، يتم توليد الكهرباء.
إنتاج الصلب
في صناعة الصلب ، يستخدم الفحم بشكل غير مباشر لصنع الفولاذ وهو من أهم الصناعات الحديثة، وما يحدث هنا هو أن الفحم يسخن في أفران لتشكيل فحم الكوك، وبمجرد تشكيل هذا النوع من الفحم، يستخدم المصنعون فحم الكوك لصهر خام الحديد وتحويله إلى حديد وصنع الفولاذ، وفي الوقت نفسه ، عادة ما يتم استرداد غاز الأمونيا الذي ينتج داخل أفران فحم الكوك ويستخدم مرة أخرى لتصنيع حمض النيتريك وأملاح الأمونيا والأسمدة.
الصناعات المختلفة
تستخدم العديد من الصناعات الفحم لتصنيع منتجات معينة. بعض الصناعات التي تعتمد بشكل أساسي على الفحم هي صناعة الأسمنت وصناعة الورق والألمنيوم والصناعات الكيماوية والأدوية وغيرها. يوفر الفحم العديد من المواد الخام مثل قطران الفحم وكبريتات الأمونيا والكريوزوت وغيرها للصناعات الكيماوية. وفي الغالب يستخدم الفحم كمصدر للطاقة في معظم الصناعات.
التغويز والتسييل للغازات
يمكن تحويل الفحم إلى غاز صناعي يتكون من مزيج من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. هذه الغازات تعتبر منتج وسيط يمكن تحويله إلى منتجات مختلفة مثل اليوريا والميثانول والهيدروجين النقي وغيرها. يمكن أيضا تحويل الفحم إلى سائل يسمى الوقود الصناعي.
وعادة ما يتم تسخين الفحم وضغطه بالبخار لإنتاج غاز “المدينة” الذي يستخدم للإضاءة المنزلية والتدفئة والطهي، ويتم تسييله لصنع وقود اصطناعي مشابه للبترول أو الديزل، وتتم غالبية مشاريع تحويل الفحم إلى غاز في الولايات المتحدة الأمريكية والصين ، مع وجود عدد قليل منها في إندونيسيا والهند وأستراليا وكندا وجنوب إفريقيا.
الإنتاج الكيميائي
يتم استخدام غاز الاصطناع الناتج عن التغويز بشكل أساسي لإنتاج مواد كيميائية مثل الميثانول والأمونيا واليوريا.
اضرار الفحم الحجري
على الرغم من أن الفحم يعد مصدرًا رخيصًا للطاقة، فإن له مخاطر كبيرة على البيئة. ومع ذلك، في بعض المناطق قد يكون من الصعب الانتقال من الفحم كمصدر رئيسي لتوليد الطاقة إلى مصادر طاقة نظيفة أخرىنظرًا لفرق التكلفة. وتشمل مخاطر استخدام الفحم الحجري:
تلوث الهواء: عند حرق الفحم، يطلق غازات وسموم تنتقل عبر الهواء، مثل الزئبق والرصاص وبعض المعادن الثقيلة الأخرى، وترتبط محطات الطاقة التي تعمل بالفحم بانتشار مجموعة من الأمراض في المناطق المجاورة، مثل الربو وأمراض القلب والرئة وصعوبة التنفس.
تلوث البحيرات والأنهار: تنتج محطات الطاقة التي تعمل بالفحم ما يصل إلى 100 مليون طن من الرماد سنويا، وتتم التخلص من هذه النفايات بإلقائها في مياه البحار والبحيرات والأنهار، مما يؤدي إلى تلوث تلك المجاري المائية.
تغير المناخ والاحتباس الحراري: يعتبر هذا التأثير من أخطر التأثيرات الطويلة الأمد لاستخدام الفحم كمصدر للطاقة، لأنه عند حرق الكربون، يتفاعل مع الأكسجين في الهواء لينتج غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يحجز الحرارة.