إن كيمياء الحريق عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية المعقدة, في بعض الأحيان تصل أعداد العناصر الداخلة في تلك التفاعلات إلى أكثر من 100 عنصر كيميائي. ونظرا لاختلاف الخصائص الكيميائية والفيزيائية للعناصر والمركبات الداخله في مكونات المواد الصناعية ذات الاستخدامات المتعددة القابلة للاشتعال (كالوقود بانواعه – البتروكماويات – المنتجات المعدنية والبلاستيكية – الاصباغ – البولستر- الادوية الطبية وغيرها) مما يتريب على ذلك اختلاف في درجة خطورة تلك المواد واختلاف عمليات اكسدتها. ومن هنا يتضح اهمية كيمياء الحريق من اجل فهم طبيعة نشوب الحرائق الصناعية، ومسببات ظهورها إضافة إلى معرفة الطرق الفاعلة للسيطرة عليها وكافحتها والوقاية منها. ويصنف الحريق من منظور كيميائي إلى مجموعتين: بسيط ومعقد. تنتج الحرائق البسيطة في حالة وجود احتراق كامل للمادة ذات التركيب الكيميائي البسيط (الاحادي) لى حدا ما بحيث لا ينتج عنه أجرام أو حبيبات كربونية وإنما غازات قليلة وأبخره . أما الحرائق المعقده فتنتج عندما يكون هنالك احتراق غير كامل للمادة أو الوقود ذات التركيبة الكيميائية المتعددة كما في المشتقات البترولية وغيرها التي سبق ذكرها اعلاه وهذا الصنف بطبيعة الحال هو الأكثر دمارا وخطورة وأكثر مخلفات احتراق (4).
إذآ كيف يتم نشوب الحريق كيميائيآ؟
بدايةً يعرف الاحتراق طبقآ لقاموس ويبستر(6), على انه عملية أكسدة سريعة تنتج حرارة و ضوء ، كذلك يمكن ان يعرف على انه عملية أكسدة بطيئة مصحوبة بحرارة أقل بدون ضوء، أما آخرون فيعرفونه بأنه تداخل تفاعلات كيميائية تظهر عند اختلاط الوقود ( أو المادة المحترقة) بالمؤكسد (عادة – هواء) مصحوبة بظاهرة حركة سوائل وانتقال حركي (7). إن عمليات الاحتراق تبدأ في ظروف كيميائية الكيميائية بين ذرات عناصرالمركبات الهيدروكربونية للمواد البترولية في المراحل الاولية من الأكسدة بفعل وجود مصدر حراري (سواءا مباشر اوغير مباشر) ينتج عن ذلك انفصال تلك الذرات عن بعضها بحيث تصبح طليقة وفي حالة تأين (نشطة كيميائيآ) تسمى الذرات والجذور الكيميائية الحرّة أو الطليقة والتى تلعب دوراً هاماً جداً في عملية بناء سلسلة التفاعلات الكيميائية والتي تعتبر المسؤل الاول عن تولد اللهب وانتشاره في موقع الحريق. وقبل ان اناقش مراحل تكون هذه السلسة ارى من المهم ان اعرف ظاهرة التأين والذرة الطليقة اوالجذر الكيميائي الطليق (الحُر).
عندما يكون عدد الشحنات الموجبة في نواة ذرة العنصر أو الجزئي والتي تسمى بروتونات مساويا لعدد الشحنات السالبة (الالكترونات) المكونة للذرة في المدارات الخاجية والمحيطة بالنواة عند ذلك يقال أن هذه الذرة أو الجزئي في حالة متعادلة. أما في حالة فقد أحد الالكترونات لذرات ذلك العنصر أو الجزئي فأنه يصبح أيونآ موجبآ(positive ion) , وعند اتحاد أو كسب إلكترون حرّ (طليق) من ذرة عنصر آخر فيصبح أيونا سالبا .(negative ion)ومن ذلك يتضح انه يتكون الأيون عند فقد أو كسب ذرة العنصر أو الجزئي إلكترونا في أحد المدارات الخارجية للنواة.
في الجانب الآخر, يمكن معرفة كيفية تكون الجذر الكيميائي الحرّ او (الطليق) وكذلك الذرة الحرّة (الطليقة) free atoms - free radical's)) إذا أخذنا على سبيل المثال غاز الميثان (الغاز الطبيعي) - CH4 وهو بطبيعة الحال من مجموعة الهيدروكربونات ، فانه يعتبر في هذه الحالة مستقر حيث يلزم تسخينه إلى درجة 1000 درجة مئوية لتفكيكه إلى عناصره الأولية، ليصبح بذلك ذرة كربون وأربع ذرات هيدروجين كما هو واضح من صيغته الكيميائية. وإذا ظهر هذا الغاز الطبيعي على شكل جزيّئات CH3 - CH2 - CHفانه يصبح جزيء غير مستقر وحينئذ يدعى الجذر أو الشق الطليق أو الحرّ (free radical's) وتكون هذه الجزيئات نشطة كيميائيا. وبنفس الطريقة بالنسبة للذرات الـ O2 – H2 – F2 – Cl2 - وغيرها من العناصر الكيميائية الأخرى في الطبيعة, إذا فقدت أحد ذراتها لتصبح O – H – F – Clفأنها تكون في هذه الحالة غير مستقره وتدعى الذرات الطليقة أو الحرّة, والصيغ الكيميائية الموضحة في الشكل (1) يوضح الجذور الحرة لجزيئات غاز الميثان والببنزين (4).
جذر حرّ طليق للميثان غير مستقر
(methyl radical CH3 ) جزيء للميثان مستقر
(Methane CH4 )
جذر حرّ طليق للبنزين غير مستقر
(Phenyl radical C6H6 ) جزيء للبنزين مستقر
(Benzene C6H6)
الشكل (1): يوضح الجذور الكيميائية الطليقة (4)
وفيما يلي إيجازآ للمراحل الرئيسية التي تتكون من خلالها سلسلة التفاعلات الكيميائية للحريق:-
أ- المرحلة الاولى:- بداية التكوّن (التدشين) Initiation
هي بداية تكوّن الذرات الحرّة والجذور الكيميائية الحرّة عن طريق تفكيك الروابط الكيميائية بين هذه الذرات أو الجذور ويكون معدل التكون بطئ وذلك بسب تساوي الطاقة اللازمة لكسر أو تفكيك الرابطة الكيميائية والطاقة اللازمة لهذا النوع من التفاعل الكيميائي البدائي. ويمكن كتابة هذه المرحله بالتفاعل الكيميائي التالي:
A -------------- >2X
جذر كيميائي جديد (ناتج التفاعل) جريء المادة الداخلة في التفاعل (الوقود مثلآ)
ب- المرحلة الثانية:- الانتشار ( الامتداد ) Propagation
وهي التفاعلات الكيميائية التي تضمن استمرارية تكوّن السلسلة الكيميائية وتعتبر من أهم المراحل, وفيها يتم اتحاد الجذّر الحر الطليق مع جزيء أخر من المادة الداخلة في التفاعل الكيميائي لينتج عن ذلك تكوّن جذر(أو شِقّ) كيميائي جديد (new free radical) وهكذا يتم امتداد وانتشار السلسلة:
X+A ------------- > Y+P
(ناتج احتراق) + جذر كيميائي جديد جزيء + الجذر السابق
ج- المرحلة الثالثة: التفرّع (التشّعب) Branching
يتكون في هذه المرحلة عدد 3 جذور كيميائية حررت جديدة من تفاعل كيميائي لعدد واحد جذر كيميائي. وتعتبر هذه المرحلة المسئولة عن ظهور ما يعرف بـ الانفجار الكيميائي المؤدي إلى تفرّع أو تشّعب السلسلة الكيميائية وتسمى التفرّع ألتربيعي بسبب اعتماد التفاعل الكيميائي على الدرجة الثانية من معدل تفاعل تركيز العينات الداخلة في التفاعل.
X+A ----------------- > 3Y+P
(ناتج التفاعل) + 3جذور كيميائية جديدة جزيء + الجذر السابق
د- المرحلة الرابعة: النهاية
بعد تكون المراحل الثلاثة السابقة يصبح التفاعل الكيميائي الاجمالى ((overall reaction في وضع متسارع بسبب عدم وجود نهاية لتلك التفاعلات, ولكن بدون تكوّن مزيد من الجذور الكيميائية النشطة التي تنشأ خلال تلك المراحل مما يؤدي إلى عدم ظهور اى عملية تفرّع أو تشّعب لسلسلة التفاعل الكيميائية المصاحبة لأي عملية احتراق وتتم عند ذلك عملية إنهاء لتلك السلسة من التفاعلات الكيميائية عن طريق اتحاد عدد اثنين من الجذور الكيميائية الحرّة أو (الطليقة) ويصاحب ذلك تكون جزئي ثالث يرمز له بالرمز M ويتضح ذلك من التفاعل الكيميائي التالى (7):
X+X+M----------------- > X2+M
ويقوم الجزئي الثالث (M) بامتصاص الطاقة الحرارية الناجمة من هذه التفاعلات الكيميائية السابقة (التي تمت خلال المراحل الثلاث) لمنع تفكك الجذور الكيميائية الحرّة وبالتالي يمنع استمرار عملية انتشاروتشعب سلسة التفاعلات الكيميائية النشطة وبذلك تكون تصل عملية الحريق الى النهايه.
4- سرعةالاحتراق:
من اهم الخصائص الكيموفيزيائية للمادة المشتعلة هي سرعة احتراقها, حيث يمكن من خلال معرفة ذلك تصنيف درجة خطورة المادة وطريقة مواجهة ومكافحة المخاطر المصاحبة اثناء نقلها او خزنها. ويمكن ايجاز سبب اهميتها فى الآتي:
أ- تقييم مخاطر الحريق الناجم من احتراق تلك المادة
ب- معرفة واستنتاج سرعة انتشار اللهب الناتج من اشتعالها
ج- وضع الأسس والإجراءات الاحترازية والوقائية لمنع نشوب الحرائق ( هام لمعايير السلامة)
15/12/2008, 06:13