هل الفحم مركب ؟ ” وماهي مكوناته
ماهو الفحم
الفحم ، مادة صلبة قابلة للاحتراق تحدث بشكل
طبيعي
في
البيئة
، ويعد الفحم من أهم مصادر الطاقة في
العالم
وأكثرها وفرة، ومنذ اكتشافه قبل 4000 عام كوقود للتدفئة والطهي ، إلى استخدامه في القرنين التاسع عشر والعشرين في توليد
الكهرباء
وكمواد وسيطة كيميائية ، ظل الفحم ، إلى جانب النفط والغاز الطبيعي ، مصدرًا مهمًا للطاقة.
وحاليًا تمتلك الولايات المتحدة وحدها 1.7 تريليون طن قصير من موارد الفحم المحددة (الرواسب الطبيعية) واحتياطيات كافية قابلة للاسترداد (الفحم الذي يمكن تطويره للاستخدام) لتلبية احتياجاتها من الطاقة حتى عام 2225م.
كما يوجد 100 دولة لديها احتياطيات قابلة للاسترداد تمتلك 12 دولة في العالم أكبر الاحتياطيات من الفحم حاليًا، من بينها كندا ، وجمهورية
الصين
الشعبية وروسيا وبولندا وأستراليا وبريطانيا وجنوب إفريقيا ، وألمانيا ، والهند ، والبرازيل ، وكولومبيا.
هل الفحم مركب
للإجابة عن هذا السؤال يجب نعرف أولًا ما هي المركبات وما هي العناصر:
- العناصر: هي أبسط المواد الكيميائية الكاملة كل عنصر يتوافق مع إدخال واحد في الجدول الدوري، والعنصر هو مادة تتكون من نوع واحد من الذرة، ويحتوي كل نوع ذرة على نفس عدد البروتونات.
-
المركبات : هي مادة مصنوعة من عنصرين أو أكثر، وتتكون من نسبة ثابتة من الذرات المترابطة كيميائياً، لها خصائص فريدة تختلف عن خصائص عناصرها الفردية، ويمكن تحويل المركبات إلى العناصر المكونة لها بطرق كيميائية أو فيزيائية مناسبة ومثال على المركبات
الماء
H2O الذي يتكون من ذرة أكسجين واحدة مرتبطة كيميائياً بذرتين من الهيدروجين. - الخليط: تسمى المادة التي تحتوي على مادتين أو أكثر إما عناصر أو مركبات بأي نسبة خليط، وخصائص الخليط تكون نفس خصائص مكوناتها.
وبناءًا على هذا التعريف فإن الفحم يعتبر خليط لأنه يتكون من أكثر من مركب ولكننا لا نستطيع
تحديد
نسب ثابتة لتلك المكونات، وفي الماضي وحتى عشرينيات القرن العشرين كان يعتبر عنصرًا، حيث كان العلماء يعتقدون أن الفحم عبارة عن ذرات كربون فقط، أما اليوم فقد تم اكتشاف وجود أنواع مختلفة من الفحم تحتوي على مجموعة من العناصر، كما أن الرماد الناتج من احتراق الفحم كان يحتوي 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] بنسبة تتراوح من 75-90 %.
- الهيدروجين [H] بنسبة تتراوح بين 4.5- 5.5 %.
- النيتروجين [N] بنسبة تتراوح بين 1–1.5 %.
- الكبريت [S] بنسبة تتراوح بين 1-2 %.
- الأكسجين [ O] بنسبة تتراوح بين 5-20 %.
- الرماد بنسبة تتراوح بين 2-10 %
- والماء بنسبة تتراوح بين 1-10%.
وتختلف نسبة المركبات المختلفة في الفحم اعتمادًا على نوعه، ويرجع السبب في اختلاف أنواع الفحم لاختلاف أنواع النباتات التي تكون منها الفحم في البداية.
حيث يعتقد الجيولوجيون أن رواسب الفحم الجوفية تشكلت منذ حوالي 250 إلى 300 مليون سنة ، عندما كان جزء كبير من الأرض مغطى بغابات كثيفة ونمو نبات، وعندما ماتت النباتات والأشجار ، غرقت تحت سطح الأرض الرطب ، حيث أدى نقص الأكسجين إلى إبطاء تحللها وأدى إلى تكوين الخث، ثم حلت الغابات الجديدة والحياة النباتية
محل
النباتات الميتة ، وعندما ماتت الغابات والنباتات الجديدة ، غرقت أيضًا في أرض المستنقعات، ومع مرور
الوقت
وما يصاحب ذلك من تراكم للحرارة ، بدأت طبقات النباتات الميتة تحت الأرض في التراكم ، وأصبحت معبأة بإحكام ومضغوطة ، مما أدى إلى ظهور أنواع مختلفة من الفحم ، ولكل منها تركيز كربون مختلف، مثل : أنثراسيت ، وفحم قاري وفحم تحت القيري ، والليغنيت.[1]
استخدامات الفحم
يعد الفحم أرخص وأهم مصدر للطاقة، لذلك يستخدم بشكل واسع في كثيرمن البلدان بشكل أساسي لتوليد الطاقة الكهربية ولعدة استخدامات أخرى، وفيما يلي قائمة بأهم الاستخدامات الرئيسية للفحم:
- توليد الكهرباء
- إنتاج الصلب
- الصناعات
- التغويز والتسييل
- الإنتاج الكيميائي
- توليد الكهرباء
يستخدم الفحم بشكل عام في توليد الطاقة الحرارية مما يساعد على إنتاج الكهرباء، ويتم حرق الفحم المسحوق عند درجة حرارة عالية مما يحول الماء إلى بخار، ويستخدم هذا البخار لتشغيل التوربينات بسرعة عالية في مجال مغناطيسي قوي، بعد 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، ويوفر الفحم العديد من المواد الخام مثل قطران الفحم وكبريتات الأمونيا ، الكريوزوت وغيرها للصناعات الكيماوية، وفي الغالب يستخدم الفحم كمصدر للطاقة في معظم الصناعات.
التغويز والتسييل للغازات
يمكن أن يتحول الفحم إلى غاز صناعي يتكون من خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين، هذه الغازات عبارة عن منتج وسيط يمكن تحويله إلى منتجات مختلفة مثل
اليوريا
والميثانول والهيدروجين النقي وغير ذلك، ويمكن أيضًا تحويل الفحم إلى سائل يعرف باسم 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
يستخدم غاز الاصطناع الناتج عن التغويز بشكل أكبر لإنتاج عناصر كيميائية مثل الميثانول والأمونيا واليوريا.[2]
اضرار الفحم الحجري
بالرغم من أن لفحم مصدر رخيص للطاقة إلا أنه له مخاطر كبيرة على البيئة، ومع ذلك فقد يكون من الصعب في بعض المناطق الانتقال من الفحم كمصدر رئيسي لتوليد الطاقة للمصادر الأخرى النظيفة للطاقة بسبب فرق التكلفة، ومن مخاطر استخدام الفحم الحجري:
تلوث الهواء:
عنما يحترق الفحم يطلق غازات وسموم تنتقل عبر الهواء مثل الزئبق والرصاص وبعض المعادن الثقيلة الأخرى، وذلك ترتبط محطات الطاقة التي تعمل بالفحم بانتشار مجموعة من الأمراض في المناطق المحيطة مثل الربو وأمراض
القلب
والرئة وصعوبة التنفس.
تلوث البحيرات والأنهار:
تنتج محطات الطاقة التي تعمل بالفحم جوالي 100 مليون طن من الرماد سنويًا، ويتم التخلص من تلك النفايات بالإلقاء في مياه البحار والبحيرات والأنهار، وهذا يسبب تلوث تلك المجاري المائية.
تغير المناخ والاحتباس الحراري:
يعد هذا التأثير من أخطر التأثيرات طويلة الأمد لاستخدام الفحم كمصدر للطاقة، لأن الكربون عند حرقه يتفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء، وهذا ينتج غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يحبس الحرارة.[3]