التصنيف: كيمياء

ثعبان البحر الكهربائي هو مخلوق فتن العلماء وعشاق الطبيعة لعدة قرون. بفضل قدرته على توليد تفريغ كهربائي قوي، يعتبر ثعبان البحر الكهربائي أعجوبة حقيقية من الطبيعة. تسمح هذه القدرة الفريدة لثعبان البحر الكهربائي بالتواصل والافتراس والدفاع عن نفسه بطرق لا تشبه أي مخلوق آخر على وجه الأرض. من صعق فريسته إلى درء الحيوانات المفترسة، يعد استخدام ثعبان البحر الكهربائي للكهرباء مثالًا رائعًا على التكيفات المذهلة التي يمكن العثور عليها في العالم الطبيعي.

ما هو سر قوة ثعبان البحر الكهربائي؟

الثعابين الكهربائية هي نوع من الأسماك التي توجد في المياه العذبة في أمريكا الجنوبية، وخاصة في أحواض نهري الأمازون وأورينوكو. على الرغم من اسمها، فإن الثعابين الكهربائية ليست ثعابين حقيقية، بل هي نوع من أسماك السكاكين. وهي معروفة بقدرتها على توليد صدمات كهربائية قوية، تستخدمها في الصيد والتواصل والدفاع عن النفس.

يمكن أن يصل طول الثعابين الكهربائية إلى 8 أقدام ويصل وزنها إلى 44 رطلاً، على الرغم من أن معظم الأفراد أصغر من ذلك. لديهم جسم طويل أسطواني مغطى بطبقة من المخاط اللزج الذي يساعد على توصيل الكهرباء. يكون لونها عادةً رماديًا داكنًا أو بنيًا على الظهر وأصفر أو برتقاليًا على البطن.

الثعابين الكهربائية هي في المقام الأول آكلة اللحوم وتتغذى على مجموعة متنوعة من الفرائس، بما في ذلك الأسماك والبرمائيات واللافقاريات. ومن المعروف أيضًا أنهم مخلوقات انفرادية وعادة ما توجد في المياه البطيئة الحركة أو الراكدة، مثل المستنقعات والجداول والأنهار الصغيرة.

تنتج الأسماك الكهربائية طاقتها الكهربائية من خلال عضو كهربائي متخصص. على سبيل المثال، يحتل العضو الكهربائي نحو ثلثي جسم السمكة، وهو مقسم إلى ثلاثة أجزاء مختلفة، كل منها ينتج تيارًا كهربائيًا بطبيعته المختلفة. على الرغم من صدماتها الكهربائية القوية، لا تعتبر الثعابين الكهربائية تهديدًا كبيرًا للبشر. ومع ذلك، فإنها يمكن أن تسبب إصابة خطيرة أو حتى الموت إذا لامس شخصًا كبيرًا أو تعرض للصدمة بشكل متكرر. على هذا النحو، من المهم توخي الحذر عند السباحة أو الخوض في المياه التي من المعروف أن الثعابين الكهربائية تعيش فيها [1-3] .

كيف يولد ثعبان البحر الكهربائي الكهرباء؟

الكيمياء الكهربائية هي دراسة العمليات الكيميائية التي تنطوي على نقل الإلكترونات. ويلعب دورًا حاسمًا في العديد من الظواهر الطبيعية، بما في ذلك قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء. ترجع هذه القدرة إلى الكيمياء الكهربائية التي تحدث داخل جسمه. حيث يحتوي على خلايا متخصصة تسمى الخلايا الكهربائية المسؤولة عن توليد الشحنة الكهربائية. تمتلئ هذه الخلايا بالأيونات، وهي ذرات أو جزيئات لها شحنة كهربائية. حركة هذه الأيونات عبر غشاء الخلية تخلق فرق الجهد، مما يولد الشحنة الكهربائية. من خلال فهم الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء، يمكننا الحصول على تقدير أكبر للتكيفات المذهلة التي يمكن العثور عليها في العالم الطبيعي [1-3].

ما هي ميكانيكية الجسم لتوليد الكهرباء؟

يتضمن توليد الكهرباء في ثعبان البحر الكهربائي سلسلة من الخطوات المعقدة الضرورية لإنتاج صدمة كهربائية قوية. وتشمل هذه الخطوات حركة الأيونات عبر أغشية الخلايا وتنشيط القنوات الأيونية.

يتكون العضو الكهربائي من الخلايا الكهربائية، وهي المسؤولة عن توليد الشحنة الكهربائية. تمتلئ هذه الخلايا بأنواع مختلفة من الأيونات، بما في ذلك أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والكلوريد.

تبدأ عملية توليد الكهرباء بحركة أيونات الصوديوم من خارج الخلية إلى داخلها. يتم تسهيل هذه الحركة بواسطة بروتين يسمى مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. عندما تتحرك أيونات الصوديوم داخل الخلية، فإنها تخلق شحنة موجبة داخل الخلية. بعد ذلك، تتحرك أيونات البوتاسيوم خارج الخلية، مما يساعد على الحفاظ على الشحنة الموجبة داخل الخلية. تخلق حركة الأيونات هذه فرقًا في الجهد بين داخل الخلية وخارجها.

عندما يريد ثعبان البحر الكهربائي توليد شحنة، فإنه يرسل إشارة إلى الخلايا الكهربائية لتحرير أيوناتها المخزنة. وهذا يسبب حركة سريعة للأيونات عبر غشاء الخلية، مما يولد شحنة كهربائية كبيرة. يتم تسهيل حركة الأيونات عبر غشاء الخلية عن طريق القنوات الأيونية، وهي بروتينات تسمح للأيونات بالمرور عبر غشاء الخلية. يتم تنشيط هذه القنوات الأيونية عن طريق إطلاق الأيونات المخزنة، مما يتسبب في تدفق سريع للأيونات إلى الخلية.

إن حركة الأيونات عبر غشاء الخلية هي ما يخلق فرق الشحنة الكهربائية الذي يسمح لثعبان البحر الكهربائي بتوليد الكهرباء. من خلال التحكم في حركة أنواع مختلفة من الأيونات، يستطيع ثعبان البحر الكهربائي إنتاج صدمة كهربائية قوية يستخدمها في الصيد والتواصل والدفاع عن النفس [1] .

لماذا لا ينتهي الأمر بالأسماك إلى صدمة نفسها؟

العضو الكهربائي للأسماك الكهربائية القوية مبطن بالأنسجة الدهنية والضامة. عندما تطلق السمكة صدمتها، تقوم هذه الأنسجة بعزل السمكة عن تكتيكها الهجومي. وكذلك يلعب الحجم أيضا دورًا في ذلك. حيث أن معظم الأسماك المفترسة ذات القوة الكهربائية أكبر بكثير في الحجم من فرائسها. يمكن أن يصل حجم بعض الثعابين الكهربائية إلى 8 أقدام. سوف يقوم تيارهم بفتك فرائسهم الأصغر حجمًا، لكنه لن يفعل الكثير لأجسامهم الأكبر حجمًا، مثلما لن يؤثر بشكل خطير على الإنسان البالغ.

ومع ذلك، فإن الأسماك الكهربائية ليست مقاومة تمامًا للصدمات. وقد لاحظ الكثيرون أن الأسماك الكهربائية ترتعش، خاصة عند إخراجها من الماء. قد يكون هذا هو الحال لأن الهواء لا يسمح للشحنة بالتبدد خارج السمكة بنفس سرعة الماء (خاصة مياه البحر المالحة).

لم يكن علماء الماضي هم الوحيدين الذين ألهمتهم الطريقة التي تمكنت بها الطبيعة من تسخير الكهرباء. قام فريق من الباحثين من جامعة فريبورغ وجامعة ميشيغان بإنشاء بطارية ناعمة مصنوعة من مادة تشبه الهلام باستخدام الخلايا الكهربائية كمصدر إلهام. ويأمل الفريق أن يتم استخدام عملهم في بعض الإجراءات الطبية.

لا يزال لدى الأسماك الكهربائية الكثير لتعلمه للعلماء حول كيفية عمل تحديد الموقع الكهربائي وكيف تطورت هذه الأسماك اللامعة في المقام الأول. قد يكون هناك المزيد من الاكتشافات البحثية الصادمة في المستقبل [1] .

ما هي التطبيقات المحتملة للكيمياء الكهربائية لثعبان البحر الكهربائي؟

الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء يمكن تطبيقها في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك الطب وإنتاج الطاقة.

• في الطب: يمكن استخدام الكيمياء الكهربائية لثعبان البحر الكهربائي لتطوير علاجات جديدة لمجموعة متنوعة من الحالات. على سبيل المثال، يمكن استخدام مثل هذه القدرة على توليد الكهرباء لتشغيل الأجهزة الطبية المزروعة في الجسم، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب. بالإضافة إلى ذلك، تطوير أدوية جديدة تستهدف القنوات الأيونية، والتي تشارك في مجموعة متنوعة من العمليات الفسيولوجية.
• في إنتاج الطاقة: لتطوير أنواع جديدة من البطاريات وأنظمة تخزين الطاقة. إن حركة الأيونات عبر غشاء الخلية في العضو الكهربائي لثعبان البحر الكهربائي تشبه حركة الإلكترونات في البطارية، مما يخلق فرق جهد يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة. من خلال دراسة الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء، يمكن للعلماء تطوير أنواع جديدة من البطاريات التي تكون أكثر كفاءة وأطول أمدًا من التقنيات الحالية.

يعد ثعبان البحر الكهربائي مخلوقًا رائعًا حقًا وقد أسر العلماء وعشاق الطبيعة لعدة قرون. إن قدرتها على توليد صدمات كهربائية قوية هي شهادة على التكيفات المذهلة التي يمكن العثور عليها في العالم الطبيعي. من خلال تعلم المزيد عن الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء، يمكننا الحصول على تقدير أكبر للتعقيد المذهل للعالم الطبيعي.

بالإضافة إلى ذلك، من المهم دعم الجهود المبذولة للحفاظ على الثعابين الكهربائية وموائلها. تواجه هذه المخلوقات الفريدة مجموعة متنوعة من التهديدات، بما في ذلك فقدان الموائل والصيد الجائر. من خلال دعم جهود الحفاظ على البيئة، يمكننا المساعدة في ضمان استمرار الثعابين الكهربائية في الازدهار في البرية لأجيال قادمة.

لذا، سواء كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن الكيمياء الكهربائية أو دعم جهود الحفاظ على البيئة، فهناك العديد من الطرق للمشاركة. ومن خلال اتخاذ الإجراءات اللازمة اليوم، يمكننا المساعدة في حماية هذه المخلوقات الرائعة والعالم الطبيعي الذي تعتبره وطنًا لها.

المصادر

1. How Do Electric Fish Produce Electricity?  | Science ABC
2. How do fish produce electricity | TEDED
3. Electric Eel Batteries | Nature Videos

تعتبر الأسمدة النيتروجينية من العناصر الغذائية الأساسية التي تلعب دورًا حاسمًا في تحسين نمو النباتات وإنتاج المحاصيل الزراعية. حيث يساعد النيتروجين في تطوير الأوراق والسيقان. و تُستخدم بشكل واسع في الزراعة لتحقيق إنتاجية أفضل وجودة عالية للمحاصيل. و يتم توفير النيتروجين عادة من خلال الأسمدة النيتروجينية. يعد تحديد الكميات المناسبة لاستخدام هذه العناصر الغذائية أمرًا حاسمًا لضمان نمو نباتات صحية وزيادة الإنتاج الزراعي. سنتكلم في هذا الموضوع  حول فوائد وتطبيقات استخدام النيتروجين في عملية التسميد بالإضافة إلي ظواهر و تطبيقات مهمة لهذا العنصر .

الخصائص الكيميائية للنيتروجين

يوجد النيتروجين فى المجموعة ال 15 من الجدول الدوري. ويرمز إلي النيتروجين ب (N) وعدده الذري 7. ويحدد العدد الذري عدد البروتونات داخل النواة. و يوجد عادة علي شكل غاز لارائحة له ولا لون. ويكون في أغلب الأحيان خاملاً ( غير قابل للتفاعل). وعنصر النيتروجين المستقل هو غاز مكون من جزيئات النيتروجين المكونة من ذرتي نيتروجين مترابطتين. ويطلق علي هذا النوع من الجزيئات اسم جزيئات “ثنائية الذرة”. والصيغة الكيميائية للنيتروجين ثنائي الذرة هي (N₂) ويمثل غاز النيتروجين (80%) من حجم الغلاف الجوي. ويعد رابع الغازات انتشاراً فى الكون. كما أن النيتروجين عنصر مهم بالنسبة للكائنات الحية. إذ يوجد فى كافة الأنسجة الحية. وتضم المركبات العامة التي تحتوي علي النيتروجين كل من النشادر (NH₃) وحمض النيتريك (HNO₃) والسيانيد والأحماض الأمينية. إن العنصر الوحيد الذي يتفاعل معه عند درجة حرارة الغرفة هو الليثيوم. الذي يشكل نيتريد الليثيوم (Li₃N). كما يتفاعل الماغنيسيوم مباشرة مع النيتروجين, ولكن عند الاحتراق.[1]

اكتشاف النيتروجين

عرف الإنسان مركبات النيتروجين قبل أن يعرف النيتروجين كعنصر بفترة طويلة، وذلك حين استخدم نترات الصوديوم أو البوتاسيوم فى صنع البارود. فقد تم انتاج البارود للمرة الأولى في الصين في القرن التاسع. ثم استخدمت نترات البوتاسيوم كسماد. لقد عرف الخيميائيون ( الكيميائيون الأوائل) فى العصور الوسطي مركبات النيتروجين معرفة جيدة. كما جري تحضير حمض النيتريك صناعياً، والمعروف باسم حمض النيتريك المركز، في الشرق الأوسط  حوالي عام (800 ميلادي). واكتشف الخيميائيون خلال فترة قصيرة بأن حمض النيتريك يمكن مزجه مع حمض الهيدروكلوريك لتكوين مايعرف ب ” الماء الملكي”، وهو عبارة عن حمض يستطيع إذابة الذهب.

اكتشف عنصر النيتروجين كيميائي اسكتلندي يدعي “دانيال رذرفورد” (1749-1819) فى عام (1772). ثم تابع كيميائيون آخرون مسيرته العلمية، حيث أشار الكيميائي الفرنسي  ” أنطون لافوازيه” فى عام (1776) بأ، هذا الغاز كان عبارة عن عنصر.[5]

النيتروجين و التسميد الزراعي

عملية تثبيت النيتروجين من الغلاف الجوي

يشكل النيتروجين بمفرده أكبر كمية من مكونات الهواء. إذ تقدر كتلة النيتروجين فى الغلاف الجويب (4000 تريليون طن). يتوافر النيتروجين فى الغلاف الجوي بنسبة تبلغ أربع أضعاف كمية الأكسجين، لكن كمية الأكسجين على الأرض تزيد عن النيتروجين بحوالي (10000 مرة). فالأكسجين يعد مركباً أساسياً من المركبات التي تتكون منها اليابسة، ولا، النيتروجين لايشكل شبكة بلورية مستقرة( بنية ذات قوام منتظم) فإنه نادراً مايدخل فى تركيب الصخور والمعادن الطبيعية. وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل النيتروجين أكثر تركيزاً من الأكسجين فى الغلاف الجوي. أما السبب الآخر، فهو أن النيتروجين مستقر جداً فى الغلاف الجوي، خلافاً للأكسجين، ولا يشارك فى العديد من التفاعلات الكيميائية. ونتيجة لذلك، يتراكم النيرتوجين فى الغلاف الجوي بكميات أكثر من الأكسجين.

إن عملية تثبيت النيتروجين يتم بواسطتها اتحاد النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي مع عناصر أخري بطريقة تسهل امتصاصه من قبل النباتات. ويتم تثبيت النيتروجين بصورة رئيسية عن طريق النباتات البقلية، مثل الفول والبرسيم، لكن تثبيته أيضاً يتم بواسطة البرق. لقد طورت بعض أشكال البكتيريا آلية استطاعت بواسطتها إزالة غاز النيتروجين الموجود في الهواء وتحويله إلي بروتين عن طريق تثبيت النيتروجين. وتستفيد العديد من أنواع البكتيريا من العلاقة الوثيقة مع النباتات التي تحتاج إلي النيتروجين. وتساعد هذه النباتات علي إثراء التربة بالنيتروجين الزائد القابل للذوبان. توصف عملية تثبيت النيتروجين بواسطة البكتيريا من خلال تفاعل النيتروجين مع الفورمالدهيد (CH₂O) والماء وأيونات الهيدروجين (H⁺) لتكوين ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وأيونات النشادر (NH₄⁺) .[2]

عملية هابر وإنتاج السماد

يستخدم النشادر غير المائي كسماد في أنحاء مختلفة من العالم. ويتم إنتاج النشادر بواسطة عملية تسمي ” عملية هابر”. إذ يتم إنتاج مايزيد عن (500 مليون طن) سنوياً من السماد بهذه الطريقة. وتتلخص تلك العملية فى التفاعل الذي يتم بين النيتروجين والهيدروجين لإناتج النشادر. حيث نال الكيميائي الألماني( فريتز هابر) براءة اختراع هذا النظام فى عام (1908). وتستخدم تلك الطريقة فى انتاج النشادر الغير مائي ونترات النشادر واليوريا التي تدخل فى صناعة الأسمدة. ويحدث هذا التفاعل بمساعدة عامل حفاز ” الحديد”  تحت ضغط يعادل (200 مرة) درجة الضغط الجوي، ودرجة حرارة  تتراوح بين (450_ 500 درجة سيليزية). أما ناتج التفاعل فلا يتجاوز ( 10 _ 20%) ويصل التفاعل إلي حالة التوازن، لكنه يظل مستمراً طوال إزالة الناتج وإضافة المتفاعلات.[3]

مركبات نيتروجينية

يمكن اعتبار النشادر أكثر مركبات النيتروجين أهمية. ويستخدم النشادر كغذاء بالنسبة للنباتات، حيث يتحد مع جزيئات الكربون العضوي لتكوين مركبات كيميائية تعرف باسم الأمينات. يمكن أن تتجمع هذه الأمينات لتكون حمض النشادر، الذي يعد من المركبات الحيوية بالنسبة للكائنات الحية. وبالإضافة إلي ذلك، يشكل النيتروجين أكاسيد أخري مختلفة مع الأكسجين. وهناك نوع من هذه الأكاسيد يسمي أكاسيد النيتروز (N₂O). وهو عبارة عن مادة مخدرة معروفة باسم ” غاز الضحك” . كما يتشكل أول أكاسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂) عندما يحدث احتراق الهيدروكربونات فى الهواء تحت ضغط مرتفع. ويتم إنتاج الأكاسيد النيتروجينية داخل محركات الإحتراق الداخلي. أما في الغلاف الجوي، فتشكل هذه الأكاسيد النيتروجينية ما يعرف بالضباب الدخانى، وهو شكل من أشكال ضباب الغلاف الجوي الناتج عن تفاعل ضوءالشمس مع الملوثات. ويتصف نوعان آخران من المركبات التي تتكون من النيتروجين والأكسجين، هما ثالث أكسيد النيتروجين المزدوج (N₂O₃) وخامس أكسيد النيتروجين بخاصية عد الاستقرار وقابلية الانفجار.

إن أكاسيد النيتروجين التي تتشكل فى محركات الاحتراق الداخلي لاتسبب حدوث الضباب الدخاني فحسب، بل تتفاعل أيضاً مع بخار الماء فى الغلاف الجوي وتنتج حمض النيترك وحمض النيتروز. وتذوب الأحماض الغازية في ماء المطر وتشكل ترسبات حمضية يطلق عليها الأمطار الحمضية. ويمكن أن تسرع الأمطار الحمضية من أثر العوامل الجوية على الصخور، بما في ذلك الصخور والحجارة المستخدمة فى المباني والمنحوتات.[4]

النيتروجين السائل

بالإضافة إلي دور النيتروجين الحيوي في عملية الزراعة، فلا يمكننا إغفال أحد أهم تطبيقاته وهو النيتروجين السائل. يطلق علي دراسة درجات الحرارة المنخفضة جداً اسم “التبريد الفائق”. يمكن تنفيذ التبريد الفائق بواسطة الغازات السائلة، ومن أهم الغازات المستخدمة لهذا الغرض هو النيتروجين السائل الذي يتم استخدامه فى العديد من التطبيقات المفيدة. ففي المجال الطبي، يستخدم النيتروجين السائل لتجميد مساحات من الجلد من أجل معالجة سرطانات الجلد . كما يستعمل أيضاً فى عمليات تجميد الدم البشري والحيوانات المنوية والأجنة كي يعاد إستخدامها في فترات زمنية لاحقة. ويستخدم في الصناعات الغذائية في عمليات التجميد السريع، وعند زوال تجميد الطعام بهذه الطريقة، لاتتكاثر فيه البكتيريا لأن النيتروجين يحل محل الأكسجين الموجود في الطعام. يمكن كذلك ضخ النيتروجين السائل في آبار النفط من أجل زيادة الضغط في أسفل تلك الآبار، مما يؤدى إلي اندفاع النفط نحو السطح.

المصادر:

1-Nitrogen properties

2-Nitrogen Fixation

3-Haber process

4-Acidic rain

5-Nitrogen Discovery

الثلج الجاف هو ثاني أكسيد الكربون الصلب المتجمد (CO₂)على عكس الثلج العادي الذي يكون عبارة عن ماء متجمد. كما يوحي الاسم، فإن الثلج الجاف لا يذوب عند تعرضه لدرجة حرارة الغرفة أو الحرارة. وبدلًا من ذلك، يتحول مباشرة إلى غاز، المعروف أيضًا باسم “التسامي – sublimation “. يتجمد ثاني أكسيد الكربون ويظل متجمدًا عند درجة حرارة أقل من 78.5- درجة مئوية (109- درجة فهرنهايت). من ناحية أخرى، يتجمد الجليد العادي عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت). هذا الاختلاف الهائل في درجة حرارة التجمد هو ما يجعل استخدام الثلج الجاف للتخييم طريقة رائعة للحفاظ على طعامك باردًا لفترة أطول. كما أنه لن يترك طعامك يفسد في السائل عندما يذوب. وكمكافأة مثيرة للاهتمام، يمكن أيضًا أن يبعد البعوض عن خيمتك لأن البعوض ينجذب إلى غاز ثاني أكسيد الكربون. ولكن لماذا لم يعد هذا الشكل البديل الرائع من الجليد شائعًا بعد؟ حسنًا، ذلك لأن الثلج الجاف ليس مثاليًا – ناهيك عن أنه خطير بعض الشيء إذا تم استخدامه بشكل غير صحيح. في هذا المقال، سنتعرف على الثلج البارد ومخاطره وكذلك استخداماته في الصناعات المختلفة.

ما هو الثلج الجاف وكيف تم اكتشافه؟

الثلج الجاف هو الشكل الصلب لثاني أكسيد الكربون (CO₂) الذي يستخدم عادة للتبريد المؤقت حيث أن ثاني أكسيد الكربون لا يحتوي على حالة سائلة عند الضغط الجوي العادي ويتصاعد مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية. تم ملاحظة الجليد الجاف لأول مرة في عام 1835 من قبل الكيميائي الفرنسي تشارلز ثيلورييه عندما فتح أسطوانة تحتوي على كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون السائل لمراقبته في شكل سائل. تبخر ما يكفي منه لترك كتلة ثلج جافة صلبة في قاع الحاوية. وعلى مدار الستين عامًا التالية، تمت ملاحظته في مختبرات الجامعة ولكن لم يتم استخدامه في أي تطبيقات عملية. وحتى اليوم، يمكن لأي شخص أن يأخذ أسطوانة معدنية من ثاني أكسيد الكربون السائل (مثل طفاية حريق ثاني أكسيد الكربون)، ويفتح الصمام، ويلاحظ سحابة الغاز المتسربة مع تحول جزء منها إلى ثلج جاف وثلج مسحوق. ومع ذلك، لم يكن هناك أي استخدام عملي فوري لهذه المادة حتى عشرينيات القرن العشرين عندما وجدت أخيرًا منزلًا تجاريًا حقيقيًا مع شركة Perst Air Devices. منذ ذلك الحين، تم استخدامه في مجموعة متنوعة من الصناعات، بما في ذلك الأغذية والزراعة والترفيه والشحن والتعبئة والتغليف [1].

ما هو الفرق بين الثلج الجاف والثلج العادي؟

يتم استخدام الثلج الجاف والثلج العادي للتبريد، لكن لديهم بعض الاختلافات الرئيسية. فيما يلي بعض الاختلافات الرئيسية بين الثلج الجاف والثلج العادي [2] :

ثلج جاف:

• مصنوع من ثاني أكسيد الكربون المتجمد وهو أبرد بكثير من الجليد العادي، حيث تبلغ درجة حرارته حوالي 109.3- درجة فهرنهايت (78.5- درجة مئوية).
• لا يذوب مثل الجليد العادي، ولكنه يتسامى مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية، مما يعني أنه لن يجعل الأشياء مبللة.
• أخف من الثلج العادي مما يسهل نقله.
• يمكن أن يكون أكثر تكلفة من الثلج العادي، ويتطلب معالجة خاصة وتهوية لتجنب التعرض لمستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون.
• يمكن استخدامه مع الثلج العادي لإطالة عمره.

الثلج العادي:

• مصنوع من الماء المتجمد وهو أرخص ويمكن الوصول إليه على نطاق أوسع.
• يذوب بمرور الوقت، مما قد يجعل الأشياء مبللة.
• أثقل من الثلج الجاف، مما قد يزيد من صعوبة نقله.
• متوفر بسهولة ويمكن شراؤه من العديد من محلات البقالة.
• يمكن استخدامه مع ثلج جاف للحفاظ على برودة العناصر لفترات أطول من الوقت.

باختصار، الثلج الجاف أبرد بكثير من الثلج العادي، ولا يذوب، وأخف وزنًا، لكنه قد يكون أكثر تكلفة ويتطلب معالجة خاصة. الثلج العادي أرخص ومتاح على نطاق أوسع، لكنه يذوب ويمكن أن يجعل الأشياء مبللة. كلا النوعين من الجليد لهما إيجابيات وسلبيات، ويتم استخدامهما في ظروف مختلفة حسب الموقف.

ما هي مخاطر استخدام الثلج الجاف بدلًا من الثلج العادي؟

قد يؤدي استخدام الثلج الجاف بدلاً من الثلج العادي إلى بعض المخاطر بسبب خصائصه الفريدة. فيما يلي بعض المخاطر المرتبطة باستخدام الثلج الجاف [3]:

الحروق: لمس الثلج الجاف بالجلد العاري يمكن أن يسبب حروقًا، كما أن التعرض له لفترة طويلة يمكن أن يسبب قضمة الصقيع.

قضمة الصقيع: لا تلمسه ببشرتك لكن استخدم الملقط أو القفازات المعزولة (السميكة) أو قفاز الفرن. نظرًا لأن درجة حرارته باردة جدًا، ويمكن أن يسبب قضمة صقيع شديدة إذا لامس الجلد.

الانفجار: يمكن أن يتسبب في انفجار الحاويات إذا تم تخزينه في حاوية محكمة الإغلاق أو إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح. لا تقم أبدًا بتخزينه في حاوية محكمة الإغلاق. عندما يذوب يتحول من مادة صلبة مباشرة إلى غاز، ومن ثم يتراكم الغاز في الحاوية حتى ينفجر. سوف تتطاير القطع الحادة من الحاوية في كل مكان. تأكد من تهوية الحاوية الخاصة بك. أفضل مكان لتخزينه هو في صندوق من الستايروفوم مع غطاء فضفاض.

التعرض لثاني أكسيد الكربون والاختناق: يمكن للثلج الجاف أن يطلق غاز ثاني أكسيد الكربون أثناء تساميه، مما قد يحل محل الأكسجين ويؤدي إلى الاختناق في المناطق سيئة التهوية مما يسبب ويسبب فقدان الوعي أو حتى الموت.

تشقق الأسطح: لا يُوضع مباشرة على أسطح العمل. يمكن أن تتسبب درجة الحرارة الباردة في تشقق السطح.

وأيضًا، لا تقم بتخزينه في الفريزر الخاص بك. سيؤدي ذلك إلى أن يصبح الفريزر الخاص بك باردًا جدًا وقد يتم إيقاف تشغيل الفريزر الخاص بك. ومع ذلك، إذا فقدت الطاقة لفترة طويلة من الزمن، فإن الثلج الجاف هو أفضل وسيلة للحفاظ على برودة الأشياء. من المهم التعامل بعناية واتباع احتياطات السلامة المناسبة لتجنب هذه المخاطر. ويشمل ذلك ارتداء القفازات والنظارات الواقية، واستخدامه في مناطق جيدة التهوية، وتخزينه في حاوية جيدة التهوية.

ما هي تطبيقات الثلج الجاف في مختلف الصناعات؟

فيما يلي بعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا للثلج الجاف [4,5]:

التبريد والحفظ: يُستخدم بشكل شائع للحفاظ على برودة العناصر أثناء النقل، مثل المواد الغذائية والإمدادات الطبية والعينات البيولوجية.

التنظيف السريع: يمكن استخدامه لتنظيف الأسطح، مثل إزالة الطلاء أو تنظيف المعدات الصناعية.

المؤثرات الخاصة: يمكن استخدامه لإنشاء تأثيرات الضباب أو الدخان في العروض المسرحية والحفلات الموسيقية وغيرها من الأحداث.

التطبيقات الطبية: يُستخدم كذلك في الصناعة الطبية لتخزين العينات البيولوجية ونقل الإمدادات الطبية الحساسة لدرجة الحرارة.

تركيب الانكماش: يمكن استخدامه لتقليص الأجزاء المعدنية معًا.

التجميد السريع: يُستخدم لتجميد المنتجات والمأكولات البحرية وغيرها من الأطعمة بسرعة.

إزالة بق الفراش: يمكن استخدامه لجذب بق الفراش وإزالته.

جعل النباتات تنمو بشكل أسرع: يمكن استخدامه لزيادة مستوى ثاني أكسيد الكربون في الصوبة ـــ greenhouse، مما يمكن أن يعزز نمو النباتات.

التبريد أثناء عمليات الصناعة الكيميائية: في بعض التطبيقات، من المفيد أن تكون قادرًا على تبريد أو تبريد أو تجميد مادة بسرعة أثناء العملية. يمكن استخدام طاقة التبريد والبرودة الشديدة للثلج الجاف لإبطاء أو حتى إيقاف بعض التفاعلات الكيميائية. كما أنه يُستخدم أيضًا لتحييد القلويات وإنتاج “نقاط ـــ Traps” باردة توفر أسطحًا ذات درجة حرارة منخفضة جدًا يمكن للجزيئات أن تتكثف عليها.

هذه مجرد أمثلة قليلة على الاستخدامات العملية العديدة للثلج الجاف. إن تنوعها وخصائصها الفريدة تجعلها أداة قيمة في مجموعة متنوعة من الصناعات.

الثلج الجاف مادة متعددة الاستخدامات ولها استخدامات عديدة. من المهم استخدامه بشكل آمن ومسؤول، لأنه يمكن أن يسبب قضمة الصقيع وإصابات أخرى إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح. ومع ذلك، عند استخدامه بشكل صحيح، يمكن أن يكون أداة قيمة لمجموعة متنوعة من الأغراض. وإذا كنت تستخدمه لأول مرة، فمن الجيد استشارة أحد المتخصصين للحصول على مزيد من المعلومات حول التعامل والاستخدام الآمن.

المصادر

1. Dry Ice History | Dry Ice Info
2. Dry Ice vs Regular Ice: Pros and Cons
3. Dry Ice Safety | National Weather Services
4. Dry Ice Applications | Dry Ice UK
5. 17Uses of Dry Ice – Commercial, Industrial, & Scientific Uses | TechieScientist

لطالما كانت دراسة الضوء وتأثيراته محط اهتمام العلماء، لا سيما الفيزيائيين والكيميائيين منهم. إذ أنّ دخول الضوء في الكيمياء في جملة التفاعل يقود لنواتج مغايرة عن تلك التي تنتج -بغيابه- في التفاعلات الكلاسيكية! فما هي الكيمياء الضوئية؟ وما دورها في الصناعات الكيميائية؟

مفهوم الكيمياء الضوئية

تعنى “الكيمياء الضوئية- Photochemistry” بدراسة التفاعلات التي تكون بين المادة والفوتونات في المجال فوق البنفسجي والمرئي UV- VIS. هذا المجال هو الذي يتم عنده الانتقال الإلكتروني في ذرات المادة، وهو بيت سر حدوث التفاعل الكيميائي الضوئي (الفوتوكيميائي) بفعل الضوء.

نشأة الكيمياء الضوئية

كانت نظرة العلماء لتأثير الضوء على المادة قاصرة -لفترة طويلة من الزمن- على ظواهر الامتصاص والانعكاس والنفاذية. إلا أن قام جوزيف بريستلي برصد وملاحظة أول تفاعل فوتوكيميائي في القرن الثامن عشر. عندما سَلّطَ ضوء الشمس على عينة من معدن الزئبق في وعاء مغلق عبر عدسة تقوم بتركيز أشعة الضوء باتجاه واحد. حينها، بدأ يتحول الزئبق للّون الأحمر مع ازدياد في وزنه الجزيئي، مرافقًا لنقصان في حجم الهواء في الوعاء المغلق.

تشير المُشاهدات السابقة إلى تشكل أكسيد الزئبق HgO أحمر اللون جرّاء تفاعل الزئبق مع أكسجين الوعاء بتنشيط من الضوء الداخل في التفاعل. ومن اللافت في الأمر، أن التفاعل آنف الذكر هو نفسه الذي استخدمه لافوازييه عند اكتشافه لقانونه (قانون مصونية الكتلة). مع التنويه بإستخدامه للحرارة كمصدر للطاقة عوضًا عن الضوء، وهنا يكمن الاختلاف في جوهر التجربتين المتماثلتين ظاهريًا [1].

مقارنة بين التفاعلات الضوئية والحرارية أو المُعتمة (الكلاسيكية)

في التفاعلات الكلاسيكية، وعند إمداد التفاعل بالحرارة فإن الجملة من متفاعلات ومنتجات ووسط تتأثر بها. ليسير التفاعل باتجاه الحصول على نواتج ثانوية غير المرغوب بها أكثر الأوقات. أمّا التفاعلات الفوتوكيميائية انتقائية، أي تأثيرها يتمحور حول المتفاعل فقط، لتنتج المركب المطلوب وعند درجات حرارة منخفضة.

كما أسلفنا الذكر، بيت سر التفاعل الفوتوكيميائي هو الانتقال الإلكتروني من مستويات طاقة دُنيا إلى مستويات طاقة عليا. المثير للإهتمام؛ بأن هذا الفعل ليس محصورًا في حقل التفاعلات بل يتعداه إلى حقل التماكبات. بمعنى، يمكن للضوء مضبوط الطول الموجي أن يغير الشكل الفراغي للمركب الكيميائي. وهو أمر غاية في الأهمية عند حديثنا عن الاصطناع العضوي، وبالتحديد الصناعات الدوائية والغذائية.

ثرموديناميكًا، من المعلوم بأن التفاعلات الكلاسيكية حدوثها مشروط بقيمة طاقة غيبس السالبة ΔG<0. ومن جهةٍ أخرى، حدوث التفاعلات الضوئية غير مَنوط بالقيمة السالبة لطاقة غيبس. على سبيل المثال لا الحصر، تفاعل عملية التركيب الضوئي يتم بشكل تلقائي وله قيمة ΔG= +500Kj/mol  [2].

الكيمياء الضوئية في الاصطناع العضوي

لا يخفى على أحد العلاقة الوثيقة بين الكيمياء والاقتصاد؛ فالمركبات المُصطَنعة سعرها متفاوت من الرخيص إلى باهظ الثمن. ولعل واحدة من أسباب قوة ألمانيا الاقتصادية عائدةً إلى ريادتها في الصناعة الكيميائية. ومن هذا المنطلق، وجب البحث عن أجدى وأسهل طرق الاصطناع الكيميائي التي تضمن انعكاسًا إيجابيًا على الاقتصاد عمومًا. واحدة من هذه الطرق هي إقحام الضوء في التفاعلات. إذ أنّ التفاعلات الضوئية -وعلى خلاف الكلاسيكية- تحدث ولو بحضور آثار من المتفاعلات! إضافةً لمردودها العالي [3].

من زاوية أخرى، أضحت الكيمياء الضوئية ملبيةً لنداءات حماية البيئة المتوالية، فهي- طريقة خضراء- صديقةٌ للبيئة ولا ضير من تلك التفاعلات عليها [3]. كل الميزات المذكورة تحول بينها وبين الاستفادة من طاقتها الكبيرة لعمل المنبع الضوئي. وفي محاولة لتلافي هذا العائق -وعلى طريقة جوزيف بريستلي- سخّرَ العلماء الشمس كمنبع ضوئي للقيام ببعض التفاعلات الضوئية [4]. في ألمانيا على سبيل المثال يتم العمل بتفاعلين من خلال مفاعلات ضوئية شمسية خاصة، تحوي العدسات اللازمة لتوجيه الضوء هندسيًا وفيزيائيًا وهما: [4]

1. الأسيلة الضوئية للنفتوكينون

تعد طائفة الكينونات، أي المركبات التي تحوي في صيغتها الكيميائية على مركب الكينون، مركبات ممتازة للتفاعلات الضوئية الشمسية. وذلك يعود لامتصاصها الفوتونات ذات الطول الموجي الزائد عن 350nm.

والمقصود بتفاعل الأسيلة: إدخال مجموعة الأسيل الكيميائية على حلقة البنزين. ويتم التفاعل عادةً، بوجود “المشتقات الهالوجينية للحموض الكربوكسيلية “R-CO-Cl-” و مركب “كلوريد الألمنيوم- AlCL3” لتسريع التفاعل، في التفاعلات الكلاسيكية (تفاعل فريدل- كرافت) [5]. لكن في الأسيلة الضوئية، يختلف التفاعل كليًا، إذ يُستعاض عن “المشتقات الهالوجينية للحموض الكربوكسيلية  “R-CO-Cl-“بالألدهيدات- R-CHO”.

علاوةً على حذف مركب كلوريد الألمنيوم، لأن التفاعلات الضوئية سريعة في الغالب الأعمّ، مما يعني اقتصادية وتوفير في تكلفة المادة. وزيادةً في البيان، تراوح مردود التفاعل السابق إلى [90-84] % نظرًا لتفاوت شدة أشعة الشمس خلال أيام العام [6].

2. الأكسدة الضوئية للسيترونيلول

هو تفاعل متعدد المراحل، ينتهي بمركب يستخدم كعطر يشبه رائحة الورد. المرحلة الأساسية فيه تقتضي إدخال زمرة الهيدروكسيل إلى المتفاعل بفعل الأكسدة بأكسجين الهواء. يحدث ذلك باستخدام محسس ضوئي -يشبه الحفاز في التفاعلات الكلاسيكية- يثير إلكترونات جزيء الأكسجين ليجعله مهيئًا كمؤكسد [7].

حريٌ بنا الإشادة بأهمية فيزياء الضوء الممهدة لمعرفة تطبيقات جديدة للكيمياء الضوئية، سواءً في الصناعة والاقتصاد أو حماية البيئة.

المصادر

(1)chemistry
(2)books.google.com 
(3)degruyter
(4)researchgate
(5)degruyter
(6)degruyter

الألعاب النارية هي عرض يأسر الجماهير في جميع أنحاء العالم. إنهم يعملون من خلال مزيج من الكيمياء والفيزياء والفن. تستخدم المفرقعات في مجموعة متنوعة من الأحداث، بما في ذلك الألعاب الرياضية والحفلات الموسيقية والاحتفالات. كما أنها تستخدم في الجيش للتواصل وإنشاء ضوضاء.

ما هو تاريخ الألعاب النارية؟

يعود تاريخ المفرقعات النارية إلى آلاف السنين، مع أصولها في الصين القديمة. فيما يلي نظرة عامة موجزة عن تاريخ الألعاب النارية [1] :

الصين القديمة: يعود أقدم استخدام إلى عهد أسرة تانغ في الصين (618-907 م). استخدم الصينيون الألعاب النارية للاحتفالات الدينية والأغراض العسكرية.

انتشر إلى بلدان أخرى: من ثم انتشر استخدامها إلى بلدان أخرى، بما في ذلك اليابان والهند والشرق الأوسط، من خلال الفتوحات التجارية والعسكرية.

أوروبا: تم إدخال الألعاب النارية إلى أوروبا في القرن الرابع عشر، على الأرجح من خلال التجارة مع الشرق الأوسط. أصبحوا مشهورين في الاحتفالات، مثل حفلات الزفاف والتتويج.

إيطاليا: اشتهرت إيطاليا بفنيي المفرقعات النارية المهرة في القرن السادس عشر. لقد طوروا تقنيات وتصميمات جديدة لعروض جذابة انتشرت في جميع أنحاء أوروبا.

الألعاب النارية الحديثة: في القرن التاسع عشر، تم تطوير مواد كيميائية ومواد جديدة، مما سمح بألوان أكثر حيوية وتأثيرات تدوم طويلاً. أصبحت المفرقعات النارية شكلاً شائعًا من وسائل الترفيه للاحتفالات العامة، مثل يوم الاستقلال في الولايات المتحدة.

تُستخدم المفرقعات النارية اليوم في مجموعة متنوعة من الاحتفالات حول العالم، بما في ذلك ليلة رأس السنة الجديدة، والأعياد الوطنية، والمهرجانات الثقافية. لا يزالون رمزًا للفرح والاحتفال، ويعكس تاريخهم التبادل الثقافي والابتكار الذي شكل عالمنا.

ما هو التكوين الداخلي للألعاب النارية؟

المفرقعات تستخدم لتوليد صوت عالي وألوان جذابة لجذب الانتباه. وهي مصنوعة من مسحوق بارود يوضع في أنبوب معدني أو بلاستيكي. عندما يتم إشعال البارود، فإنه ينتج انفجارًا يدفع الأنبوب إلى الأمام ويخلق صوتًا عاليًا. فيما يلي تفصيل لمكونات كيفية عمل الألعاب النارية [2,3] :

بناء قشرة: تتكون المفرقعات النارية عادة من غلاف مصنوع من الورق أو الكرتون، والذي يحتوي على عدة مكونات.

المصهر: فتيل متصل بالقشرة، يشتعل لبدء تسلسل التفاعلات.

شحنة الرفع: شحنة الرفع هي المكون الأول المتفجر. عندما تشتعل، تدفع المفرقعات في الهواء.

شحن الاندفاع: بمجرد وصول المفرقعات إلى الارتفاع المطلوب، تشتعل شحنة الانفجار. إنها مسؤولة عن إحداث الانفجار والتأثيرات المرئية اللاحقة.

النجوم: النجوم عبارة عن كريات صغيرة مصنوعة من مواد كيميائية مختلفة. تحتوي على مزيج من المؤكسدات والوقود والأملاح المعدنية. تحدد هذه المواد الكيميائية اللون والتأثيرات المرئية.

صمام تأخير الوقت: تم تصميمالمفرقعات مع صمامات تأخير الوقت للتحكم في تسلسل الانفجارات. هذا يسمح بعرض مصمم لتأثيرات مختلفة.

الاشتعال: عندما تشتعل شحنة الانفجار، فإنها تطلق كمية كبيرة من الغاز والحرارة، مما يؤدي إلى انفجار القشرة. في نفس الوقت، يشعل النجوم الموجودة داخل الغلاف.

الاحتراق: يؤدي اشتعال النجوم إلى تفاعل كيميائي يُعرف بالاحتراق. توفر المؤكسدات في النجوم الأكسجين لحرق الوقود، بينما تنتج الأملاح المعدنية ألوانًا نابضة بالحياة عند تسخينها.

التأثيرات المرئية: يؤدي الجمع بين المواد الكيميائية والأملاح المعدنية المختلفة في النجوم إلى مجموعة متنوعة من التأثيرات المرئية، مثل التألق أو الطقطقة أو التوهج. الألوان المنتجة تعتمد على الأملاح المعدنية المستخدمة.

المؤثرات الصوتية: تتضمن بعض المفرقعات أيضًا مكونات مثل مزيج الصافرة أو مسحوق الفلاش، والتي تنتج مؤثرات صوتية مثل الصفارات أو الدوي.

تدابير السلامة: تم تصميم االمفرقعات بعناية لضمان السلامة. يتم إطلاقها من منصة مستقرة، ويتعامل معها المحترفون من خلال التدريب والاحتياطات المناسبة.

ما هي المواد الكيميائية المُستخدمة في صنع الألعاب النارية؟

تحتوي الألعاب النارية على مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية التي تم اختيارها بعناية ودمجها لإنتاج التأثيرات المرئية والسمعية المرغوبة. فيما يلي بعض المواد الكيميائية شائعة الاستخدام في الألعاب النارية [2,3] :

المؤكسدات: توفر المؤكسدات الأكسجين لدعم عملية الاحتراق. تشمل المؤكسدات الشائعة المستخدمة نترات البوتاسيوم ونترات الصوديوم وكلورات البوتاسيوم. تطلق هذه المركبات الأكسجين عند تسخينها، مما يساعد على حرق المكونات الأخرى.

الوقود: الوقود عبارة عن مواد تحترق وتنتج طاقة على شكل حرارة وضوء. يشيع استخدام مسحوق الفحم والكبريت والألمنيوم كوقود. يوفر الفحم الكربون، الذي يتحد مع الأكسجين من المؤكسدات لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الطاقة. يعمل الكبريت كوقود ويساعد في الحفاظ على عملية الاحتراق. يضاف مسحوق الألمنيوم لتعزيز سطوع وكثافة الضوء الناتج.

الأملاح المعدنية: الأملاح المعدنية مسؤولة عن الألوان الزاهية التي تظهر في السماء. تنتج الأملاح المعدنية المختلفة ألوانًا مختلفة عند تسخينها. على سبيل المثال، تنتج أملاح السترونتيوم اللون الأحمر، وأملاح الباريوم تنتج اللون الأخضر، وأملاح النحاس تنتج اللون الأزرق، وأملاح الصوديوم تنتج اللون الأصفر. غالبًا ما يتم دمج هذه الأملاح المعدنية مع مركبات أخرى لإنشاء ألوان وظلال محددة.

المواد الرابطة: المواد الرابطة هي المواد التي تجمع المواد الكيميائية معًا. تشمل المواد الرابطة الشائعة الدكسترين، وهو نوع من النشا مشتق من الذرة أو البطاطس، والشيلاك أو اللّكّ، وهو مادة راتنجية يتم الحصول عليها من خنفساء اللاك. تساعد المواد الرابطة على الصاق المكونات والكيمياويات معًا لتشكيل الشكل المطلوب.

المبردات: تحتوي بعض التصميمات على مبردات لتقليل درجة حرارة الاحتراق ومنع الاشتعال المبكر للمكونات الأخرى. المبردات مثل كبريتات البوتاسيوم أو بيكربونات الصوديوم تمتص الحرارة وتساعد في الحفاظ على الحرق المتحكم فيه.

الدوافع: تستخدم الدوافع في المفرقعات ذات المكونات المتحركة، مثل الصواريخ أو المقذوفات. أنها توفر الدفع اللازم لدفع المفرقعات في الهواء. يستخدم المسحوق الأسود، وهو خليط من الكبريت والفحم ونترات البوتاسيوم، بشكل شائع كوقود دافع.

استخدامات الألعاب النارية

يستمر استخدام المفرقعات النارية على نطاق واسع لأغراض مختلفة في العصر الحديث. فيما يلي بعض الاستخدامات الشائعة للألعاب النارية اليوم [4] :

1. الاحتفالات والمهرجانات: تعتبر الألعاب النارية عنصر أساسي في الاحتفالات والمهرجانات في جميع أنحاء العالم. يضيفون عنصرًا مرئيًا مذهلاً إلى أحداث مثل ليلة رأس السنة الجديدة وعيد الاستقلال وديوالي ورأس السنة الصينية الجديدة والعديد من الاحتفالات الثقافية والدينية الأخرى. تخلق الألعاب النارية إحساسًا بالإثارة والفرح والمشهد، مما يعزز التجربة الكلية للمشاركين والمتفرجين.

2. الترفيه والعروض: يتم تنظيم عروض الألعاب النارية كأحداث ترفيهية قائمة بذاتها أو كجزء من عروض أكبر، مثل الحفلات الموسيقية والأحداث الرياضية ومناطق الجذب في المنتزهات الترفيهية. غالبًا ما تتميز هذه الشاشات بالموسيقى المتزامنة والتسلسلات المصممة وتصميمات الألعاب النارية المتقنة لخلق تجربة آسرة وغامرة للجمهور.

3. حفلات الزفاف والمناسبات الخاصة: أصبحت الألعاب النارية ذات شعبية متزايدة في حفلات الزفاف والمناسبات الخاصة الأخرى. يضيفون لمسة من الفخامة ويخلقون لحظات لا تنسى للزوجين وضيوفهم. يمكن تخصيص عروض الألعاب النارية لتتناسب مع موضوع الحدث أو مخطط ألوانه، مما يجعلها إضافة فريدة وساحرة للاحتفال.

4. أحداث الشركات والعلامات التجارية: تستخدم الشركات والمؤسسات المفرقعات لإحداث تأثير لا يُنسى أثناء إطلاق المنتجات والافتتاحات الكبرى وأحداث الشركات. إنها بمثابة مشهد بصري يجذب الانتباه ويعزز العلامة التجارية ويترك انطباعًا دائمًا لدى الحضور.

5. العروض الثقافية والفنية: تستخدم المفرقعات أيضًا كوسيلة للتعبير الفني والعروض الثقافية. ينشئ الفنانون وفنيو المفرقعات عروض معقدة ومذهلة بصريًا تحكي القصص أو تصور الأحداث التاريخية أو تعرض الإبداع الفني. غالبًا ما تجمع هذه العروض بين الألعاب النارية والموسيقى والرقص وأشكال أخرى من التعبير الفني.

نصائح عند استخدام المفرقعات

المفرقعات يمكن أن تكون خطيرة إذا لم يتم استخدامها بشكل صحيح. من المهم قراءة التعليمات بعناية واتباع جميع احتياطات السلامة عند استخدام المفرقعات [5,6].

فيما يلي بعض النصائح لاستخدام المفرقعات بأمان:

• اتبع القوانين واللوائح المحلية: تختلف قوانين ولوائح الألعاب النارية حسب الولاية والبلد. قبل الاستخدام، تأكد من مراجعة القوانين واللوائح المحلية للتأكد من أنك تستخدمها بشكل قانوني وآمن.
• استخدم الألعاب النارية في مكان آمن: يجب استخدامها فقط في منطقة مفتوحة وواضحة بعيدًا عن المباني والأشجار والأشياء الأخرى القابلة للاشتعال. تأكد من أن المنطقة خالية من أي مخاطر محتملة، مثل خطوط الكهرباء أو العشب الجاف.
• لا تقم أبدًا بإعادة إحضار لعبة نارية: إذا فشلت الألعاب النارية في الاشتعال أو خرجت قبل أن تنفجر بالكامل، فلا تحاول إعادة إشعالها. انتظر 20 دقيقة على الأقل ثم انقعها في الماء قبل التخلص منها.
• حافظ على مسافة آمنة: احتفظ دائمًا بمسافة آمنة من الألعاب النارية عند إشعالها. تختلف المسافة الموصى بها اعتمادًا على نوع الألعاب النارية، ولكن القاعدة العامة هي البقاء على بعد 30 مترًا على الأقل.
• الإشراف على الأطفال: يجب ألا يتعامل الأطفال مع الألعاب النارية مطلقًا، ويجب دائمًا أن يشرف عليهم شخص بالغ مسؤول عند الاستخدام.
• تخلص من الألعاب النارية بشكل صحيح: بعد استخدام المفرقعات، تخلص منها بشكل صحيح عن طريق نقعها في الماء ووضعها في وعاء معدني. لا تتخلص منها في سلة المهملات أو تتركها مستلقية.

المصادر:

1. Americanpyro | History of fireworks
2. Penn Today | The chemistry behind fireworks
3. AGS | What minerals are used in fireworks?
4. Kuoni | Fireworks celebrations around the world
5. Kids health | Fireworks Safety
6. Mayo clinic health system | Use caution with fireworks

ظلت ليزرات الأشعة السينية مدة طويلة مادة خصبة للخيال العلمي. ولم يبدأ أول جهاز منها بالعمل لغرض علمي إلا قبل اثني عشرة سنة، وذلك في جامعة ستانفورد باعتبارها مرفقا تابعا لمكتب العلوم في وزارة الطاقة الأمريكية. ويستمد هذا الجهاز، المعروف باسم منبع الضوء المترابط للمسرع الخطي (LCLS) طاقته من أطول مسرع جسيمات خطي في العالم، في مختبر المسرع الوطني SLAC. وقدي جري بواسطته تكوين حالات غريبة للمادة لم تحصل في أي مكان أخر من الكون، وذلك بتعريض الذرات والجزيئات والجوامد لنبضات أشعة سينية ذات شدة عالية. فماهو هذا الجهاز؟ وما هي خصائصه؟

ألية عمل الأشعة السينية

إذا وضعنا ذرة أو جزيئا أو حبيبة غبار في وجه أقوى ليزر للأشعة السينية في العالم، فإنه لن يكون أمامها أي فرصة للنجاة. إذ تصل درجة حرارة تلك المادة المضاءة بالليزر إلى أعلى من مليون “كلفن” كما في حالة الشمس. وذلك في غضون أقل من جزء واحد من تريليون جزء من الثانية. وعلى سبيل المثال، تفقد ذرات النيون الخاضعة لمثل هذه الظروف الاستثنائية جميع إلكتروناتها العشرة سريعا وبمجرد خسارتها لغلافها الإلكتروني الواقي تنفجر مبتعدة عن الذرات المجاورة. ويمثل مسار حطامها مشهدا فاتنا جدا للفيزيائيين.

إن ما يجعل هذه العملية مدهشة هو أن ضوء الليزر يطرد إلكترونات الذرة من الداخل إلى الخارج. لكن الإلكترونات, التي تحيط بنواة الذرة على شكل طبقات مدارية شبيهة بطبقات البصل، لا تتفاعل جميعا بتجانس مع حزمة الأشعة السينية. لأن الطبقات الخارجية شفافة تقريبا لهذه الأشعة. ولذا فإن الطبقة الداخلية هي التي تقع تحت وطأة الإشعاع، تماما كما تسخْن القهوة في الفنجان الموضوع في فرن موجات ميكروية قبل الفنجان بمدة طويلة_ كما يتضح فى الشكل المقابل. فإن الأشعة السينية تقوم بطرد إلكترونات المدار الداخلي K _. وينطلق الإلكترونان الموجودان في تلك الطبقة إلى الخارج مخلفين وراءهما حيزا فارغا فتغدو الذرة جوفاء. وخلال بضع فيمتوثوان، تمتص إلكترونات أخرى إلى الداخل لتحل محل الإلكترونات المفقودة. وتتكرر دورة تكوين التجويف الداخلي وملء الفراغ حتى لا يتبقى أي إلكترون حول الذرة. وتحدث هذه العملية في الجزيئات وفي المادة الصلبة أيضا.[1]

لكن تلك الحالة الغريبة لا تدوم إلا بضع فيمتوثوان.  وفي الجوامد، تتفكك المادة إلى حالة متأينة, أي إلى بلازما كثيفة وساخنة لا توجد عادة إلا في ظروف استثنائية من مثل تفاعلات الاندماج النووي أو في مراكز الكواكب الضخمة. وعلى كوكب الأرض لا مثيل للحالة المتطرفة الخاطفة التي تنشأ عند تفاعل الذرة مع حزمة ليزر الاشعة السينية.

إحياء المسرع الخطي LCLS وفتح أفاق جديدة

 في الواقع استمد أول ليزر أشعة سينية طاقته من اختبار لقنبلة نووية تحت الأرض. فقد صنع ذلك الليزر من أجل مشروع سري اسمه إكسكاليبر Excalibur. ونفذه مختبر <لورنس ليفرمور> القومي. وكان ذلك الجهاز واحد من مكونات مبادرة الدفاع الاستراتيجي التي أطلقها الرئيس الأمريكي الأسبق <رونالد ريكان> والمسماة بحرب النجوم في ثمانينات القرن الماضي. حيث كان الغرض منها أن تعمل على إسقاط الصواريخ والأقمار الصناعية.[2]

إن الليزر المعروف بمنبع الضوء المترابط في المسرّع الخطي(LCLS) الموجود في مركز مسرّع ستانفورد الخطي (SLAC). يوقظ ذكريات منظومات “حرب‏ النجوم” المضادة للصواريخ تلك.[3] فقد قامت جامعة ستانفورد ببنائه كأطول مسرع إلكترونات في العالم. ويبلغ طول ذلك المسرع ثلاثة كيلومترات، ويبدو من الفضاء كإبرة موجهة إلي قلب الحرم الجامعي. إن ذلك المسرع الخطي مدين في نشأته للعديد من الإكتشافات وجوائز نوبل التى أبقت الولايات المتحدة فى طليعة فيزياء الجسيمات الأولية طوال عقود من الزمن. ومنذ إعادة إناطة مهام جديدة في الشهر 2009/10. غدت بالنسبة إلى فيزياء الذرة والبلازما والكيمياء وفيزياء المادة الكثيفة وعلم الأحياء، ما يمثله المصادم الهادروني الكبير (LHC). ويمكن لنبضات الأشعة السينية لمنبع الضوء المترابط LCLS أن تكون بالغة القصر ( بضع فيمتوثوان) إلي حد أنها تجعل الذرات تبدو جامدة. وهذا ما يمكن الفيزيائيين من رؤية التفاعلات الكيميائية أثناء حدوثها. وتلك النبضات شديدة السطوع أيضا، ولذا تسمح بتصوير البروتينات والجزيئات الحيوية الأخرى التي كانت دراستها شديدة الصعوبة.

ظلال الذرات وتصوير المسافات الضئيلة

يدمج ليزر الأشعة السينية أداتين من الأدوات الرئيسية التي يستعملها فيزيائيون اليوم التجريبيون. وهما منابع ضوء السنكروترونات Synchrotrons والليزرات الفائقة السرعة Ultrafast Lasers. أما السنكروترونات، فهي مسرعات مضمارية الشكل تدور الإلكترونات ضمنها وتصدر أشعة سينية تلج أجهزة قياس موضوعة حول محيط الآلة على هيئة دولاب ذي قضبان منبثقة من مركزه. وتستعمل أشعة السنكروترون السينية لدراسة أعماق الذرات والجزيئات والنُظم النانوية. فضوء الأشعة السينية مثالي لهذا الغرض، لأن أطوال موجاته من مقاس الذرة. [4] ولذا تولد الذرات ظلالا ضمن حزمة الاشعة السينية. وإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل الأشعة السينية بحيث ترى أنواعا معينة من الذرات. كذرات الحديد فقط مثلا، وتبين مكان تموضعها ضمن الجسم الصلب أو ضمن جزيء كبير كجزيئات الهيمو جلويين (الحديد هو المسؤول عن اللون الآحمر للدم).

لكن ما تعجز عنه الأشعة السينية هو اقتفاء أثر الحركة الذرية ضمن الجزيء أو الجسم الصلب. فكل ما نراه حينئذ هو غشاوة باهتة. لأن النبضات ليست قصيرة ولا ساطعة بقدر كاف. ولا يمكن للسنكروترون تصوير الجزيئات إلا إذا كانت مصطفة على هيئة بلورات، حيث تقوم قوى موضعية بإبقاء الملايين منها في صفوف منتظمة.

وفيما يخص الليزرات، فإن ضوءها أشد سطوعا بكثير من الضوء العادي لأنه ضوء مترابط. إن الحقل الكهرومغناطيسي في الليزر ليس متموجا كسطح البحر الهائج، بل يهتز بنعومة وانتظام متحكم فيهما. ويعني الترابط ان الليزرات تستطيع تركيز طاقة هائلة ضمن بقعة صغيرة. وأنه يمكن إشعالها وإطفاؤها في برهة قصيرة من رتبة الفيمتوثانية.

التباين بين الأشعة السينية والليزرات العادية

وتعمل الليزرات العادية عند أطوال موجات الضوء المرئي والضوء القريب منه. وتلك أطوال أكبر بألف مرة من أطوال الموجات الضرورية لتمييز الذرات إفراديا. وعلى غرار رادار الطقس الذي يستطيع رؤية عاصفة مطرية دون تمييز قطرات المطر،  فإن الليزرات العادية تستطيع رؤية مجموعة متحركة من الذرات دون تمييزها إفراديا. فمن أجل تكوين ظل حاد للجسم المرصود يجب أن يكون طول موجة الضوء صغيرا ومن رتبة مقاس ذلك الجسم على الأقل. ولذا نحتاج إلى ليزر أشعة سينية. وباختصار يتغلب ليزر الأشعة السينية على الصعوبات والسلبيات التي تمثلها الأدوات الشائعة لتصوير المادة عند المقاسات الشديدة الضآلة. لكن صنع جهاز من هذا النوع ليس بالمهمة السهلة.

بدت فكرة بناء ليزر أشعة سينية غريبة في وقت من الأوقات.  باعتبار أن صنع أي ليزر أمر بالغ الصعوبة بحد ذأته. فالليزرات العادية تنجح في عملها لأن الذرات تشبه البطاريات الصغيرة. فهي تمتص مقادير قليلة من الطاقة وتخزنها ثم تصدرها على شكل فوتونات، أى جسيمات ضوء. وهي تحرر طاقتها تلفائيا عادة, إلا أن <أينشتاين> كان قد اكتشف فى بداية القرن العشرين طريقة لقدح تحريرها من خلال عملية تسمى الاإصدار المحرض Simulated emission. وإذا جعلتَ الذرة تمتص مقدارا معينا من الطاقة, ثم قذفتها بفوتون يمتلك مقدارا مماثلا من الطاقة، أصدرت الذرة الطاقة الممتصة ، مولدة نسخة من الفوتون. وينطلق الفوتونان (الأصلي والمستنسخ) ليحفزا تحرير طاقة من زوج من الذرات الأخري، ويتكرر ذلك مراكما جيشا مستنسخا في تفاعل متسلسل أسي. والنتيجة هى حزم ليزرية.

لكن حتي عندما تكون الظروف ملائمة، فإن الذرات لاتستنسخ فوتونات دائما. فاحتمال إصدار ذرة معينة لفوتون عند قذفها بفوتون آخر، قليل. وثمة فرصة أكبر لها لتحرير طاقتها قبل حدوث ذلك. وتتغلب الليزرات العادية على هذه المحدودية بضخ طاقة تملأ الذرات، مع استعمال مرايا ترسل الضوء المستنسخ جيئة وذهابا ليتلتقط فوتونات جديدة.

أما في ليزر الأشعة السينية، فيغدو تحقيق كل خطوة من هذه العملية أشد صعوية بكثير. ففوتون الأشعة السينية يمكن أن يمتلك طاقة أكبر بألف مرة مما يمتلكه الفوتون المرئي. لذا على كل ذرة أن تمتص طاقة أكبر بالف مرة. ولا تحتفظ الذرات بطاقاتها مدة طويلة. إضافة إلى أنه من الصعب الحصول على مرايا عاكسة للأشعة السينية. وعلى الرغم من أن هذه العوائق ليست جوهرية، فإن ثمة حاجة إلى طاقة هائلة لتكوين الظروف الليزرية.

أجزاء المسرع الخطي وآلية عمله

يعد منبع الضوء المترابط LCLS أقرب شئ تصنعه البشرية لمدفع سفينة فضاء ليزري ويستمد هذا الجهاز طاقته من مسرع جسيمات خطي. وهو نسخة مضخمة من المدفع الإلكتروني المستعمل في جهاز التليفزيون القديم الذي يطلق إلكترونات بسرعات قريبة من سرعة الضوء والمموج هو أساس هذا الاإختراع. إذ يجعل اللكترونات تسلك مسارا منعرجا. وكلما غيرت الإلكترونات اتجاهها في، أصدرت إشعاعا يتألف في هذه الحالة من أشعة سينية. ونظرا لأن الإلكترونات تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الأشعة السينية التي تصدرها، فإن هذه العملية تغذي نفسها وتنتج حزمة استثنائية بشدتها ونقائها.[5]

مكونات الجهاز:

1. ليزر التشغيل: يولد ليزر التشغيل نبضات ضوء فوق بنفسجي تقتلع نبضات من الإلكترونات من المهبط.
2. المسرع: تسرع الحقول الكهربية الإلكترونات لتصبح طاقاتها 12 بليون إلكترون فولت. ويستعمل في منبع الضوء المترابط LCLS هذا كيلو متر واحد من الطول الإجمالي للمسرع SLAC. أي ثلثه فقط.
3. ضاغط الحزمة 1: تدخل النبضات الإلكترونية ممرا منحنيا ذا شكل “S” مخفف يقوم بتسوية نسق الإلكترونات ذات الطاقات المتباينة.
4. ضاغط الحزمة2: بعد جولة من التسارع. تدخل النبضات ضاغطا آخر أطول من الضاغط الأول. لأن طاقة الإلكترونات الآن أكبر.
5. ردهة النقل: تقوم المغانط هنا بتكبير أو تصغير النبضات.
6. ردهة المموج: تسبب مجموعة مغانط ذات قطبييات متناوبة حركة متعرجة للإلكترونات، محرضة إياها علي توليد حزمة أشعة سينية ليزرية.
7. استخلاص الجزمة: يسحب مغنطيس قوي الإلكترونات ويدع الأشعة السينية تكمل طريقها.
8. محطة منبع الضوء التجريبية: تقوم الأشعة السينية بعملها. حيث تضرب المادة وتقوم بمهمة التصوير.

المصادر:

1- Interaction of X-ray with Atoms

2-Excalibur Project

3- LCLS Overview II SLAC

4-Synchrotron

5-The Ultimate X-ray Machine

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة هو نوع جديد من أجهزة تخزين الطاقة الذي يحظى بالاهتمام. حيث إنها توفر عددًا من المزايا مقارنة بالمكثفات الفائقة والمكثفات التقليدية. بما في ذلك كثافة طاقة أعلى وعمر أطول ودرجة حرارة تشغيل أعلى. وهذا يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية.

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة باستخدام إلكتروليت صلب بدلاً من إلكتروليت سائل. وهذا يجعلها أكثر متانة وأمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. كما يسمح أيضًا بكثافة طاقة أعلى، حيث يمكن جعله أرق وأخف من الإلكتروليت السائل.

ما هو المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة – Solid-state Supercapacitor هو نوع من المكثف الفائق الذي يستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلاً من إلكتروليت سائل. هذا يجعلها أكثر متانة وأكثر أمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. تتمتع المكثفات الفائقة ذو الحالة الصلبة أيضًا بكثافة طاقة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل المركبات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية [1] .

ما القصة وراء أول مكثف فائق ذو الحالة الصلبة؟

تم اختراع أول المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة في عام 1991 من قبل باحثين في جامعة تكساس في أوستن. تم تصنيع الجهاز من غشاء رقيق من البوليمر الموصّل محشور بين طبقتين من رقائق معدنية، وكان قادرًا على تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية بسرعة وكفاءة. مهد هذا الاختراع الطريق لتطوير المكثفات الفائقة الأخرى ذات الحالة الصلبة. ومنذئذ تم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات المحمولة، والمركبات الهجينة، وأنظمة الطاقة المتجددة.

كيف يعمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة عن طريق تخزين الطاقة إلكتروستاتيكيًا في طبقة كهربائية مزدوجة تتشكل عند السطح البيني بين القطب الكهربائي والإلكتروليت [1] .

فيما يلي شرح مبسط لكيفية عمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة:

1. يتم فصل قطبي المكثف بواسطة إلكتروليت صلب.
2. عندما يتم تطبيق الجهد على المكثف، تتحرك الأيونات في الإلكتروليت نحو القطب المشحون عكسيًا.
3. تخلق حركة الأيونات مجالًا كهربائيًا يخزن الطاقة.
4. يتم تخزين هذه الشحنة في شكل مجال كهربائي، والذي يمكن تفريغه بسرعة عند الحاجة لتوفير دفعة من الطاقة.

يعتمد أداء المكثفات الفائقة على تصميم وخصائص المجمعات الحالية، والأقطاب الكهربائية، والإلكتروليتات. والتي بدورها يمكن أن تؤثر على كثافة ومخرجات الطاقة، وسلوك الشحن والتفريغ الدوري، ومعلمات الأداء الرئيسية الأخرى.

يمكن تحسين المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة حيث تلعب الموصلات الكهربائية دورًا مهمًا في أداء جهاز تخزين الطاقة. ويمكن أن يؤدي تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية إلى تباين كبير في معاملات الأداء الرئيسية. فمثلًا يمكن أن يؤدي استخدام المواد ذات البنية النانوية مع مساحة سطح محددة عالية والمسامية الهرمية إلى أداء ممتاز واستقرار طويل للنظام. وكذلك استخدام الطاقة الحرارية الشمسية لتحسين أداء المكثفات الفائقة المرنة في درجات حرارة منخفضة، وهو أمر مهم للإلكترونيات القابلة للارتداء في الهواء الطلق.

بشكل عام ، يمكن أن تؤدي هذه التحسينات إلى زيادة كثافة الطاقة، وإخراجها، ومدى استقرار المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية للتطبيقات المختلفة.

مزايا المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة

يتميز المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة بالعديد من المزايا مقارنة بالمكثف الفائق التقليدي، بما في ذلك [2] :

• كثافة طاقة أعلى: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة تخزين طاقة أكثر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر جاذبية للتطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية.
• عمر أطول: تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بعمر أطول من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة للتطبيقات طويلة المدى.
• درجة حرارة تشغيل أعلى: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات حرارة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر تنوعًا لمجموعة واسعة من التطبيقات في البلاد الحارة.
• حجم أصغر: يمكن جعل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة أصغر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها أكثر ملاءمة للاستخدام في الأجهزة المحمولة.

كيف تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بأنواع أخرى من أجهزة تخزين الطاقة من حيث الكفاءة والأداء؟

تقدم تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، بما في ذلك [2,3] :

• كثافة طاقة أعلى من بطاريات أيون الليثيوم: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفير الطاقة وامتصاصها بشكل أسرع بكثير من البطاريات. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من الطاقة، مثل المركبات الكهربائية وأنظمة الكبح المتجددة.
• دورة حياة أطول: يمكن تدوير المكثفات الفائقة مئات الآلاف من المرات دون تدهور كبير. بينما تحتوي البطاريات عادةً على عدد محدود من دورات الشحن والتفريغ قبل الحاجة إلى استبدالها.
• معدلات شحن أسرع: يمكن شحن المكثفات الفائقة أسرع بكثير من البطاريات، الأمر الذي قد يستغرق ساعات أو حتى أيامًا لشحنها بالكامل. بينما يمكن شحن المكثفات الفائقة في غضون ثوانٍ أو دقائق. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب شحنًا سريعًا، مثل الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
• نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة على نطاق واسع من درجات الحرارة، من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية. بينما قد يكون أداء البطاريات محدودًا في درجات الحرارة القصوى.
• صديقة للبيئة: لا تحتوي المكثفات الفائقة على مواد كيميائية سامة أو معادن ثقيلة. مما يجعلها صديقة للبيئة أكثر من البطاريات التقليدية.

ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة يمكن أن يختلف اعتمادًا على تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتأثر السعة والمقاومة الداخلية للمكثفات الفائقة مما قد يؤثر على كفاءتها. أخيرًا، بينما تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بكثافة طاقة عالية، إلا أنها تتمتع بكثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يحد من استخدامها في التطبيقات التي تتطلب سعة تخزين طاقة عالية.

بشكل عام ، توفر المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، مما يجعلها خيارًا جذابًا لمجموعة واسعة من التطبيقات.

ما هي عيوب المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة؟

في حين أن المكثفات الفائقة الحالة الصلبة تقدم مزايا عديدة مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض العيوب، بما في ذلك [4]:

• كثافة طاقة أقل: عادةً ما تكون للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة كثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تخزن طاقة أقل لكل وحدة وزن أو حجم.
• نطاق الجهد المحدود: للمكثفات الفائقة نطاق جهد محدود. مما قد يجعل من الصعب استخدامها في بعض التطبيقات التي تتطلب جهدًا أعلى.
• معدل تفريغ ذاتي أعلى: تتمتع المكثفات الفائقة بمعدل تفريغ ذاتي أعلى من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تفقد شحنتها بسرعة أكبر عند عدم استخدامها.
• التكلفة: يمكن أن تكون المكثفات الفائقة أغلى من البطاريات التقليدية، مما يجعلها أقل جاذبية لبعض التطبيقات.
• توافر محدود: المكثفات الفائقة الحالة الصلبة ليست متوفرة على نطاق واسع مثل المكثفات الفائقة التقليدية.

بشكل عام، في حين أن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفر العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض القيود التي يجب مراعاتها عند اختيار نظام تخزين الطاقة لتطبيق معين. لكن على الرغم من هذه العيوب، فإن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية واعدة لتخزين الطاقة. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب معدل تفريغ طاقة عالٍ وعمرًا طويلًا، مثل السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء.

تطبيقات المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة لمكثفات الحالة الصلبة الفائقة:

السيارات الكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية، مما قد يساعد في توسيع نطاق السيارات الكهربائية وتقليل الوقت المستغرق لإعادة شحنها.

الأجهزة القابلة للارتداء: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء، مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية.

الغرسات الطبية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الغرسات الطبية، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين.

المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية جديدة لتخزين الطاقة. مع استمرار البحث والتطوي، يمكن للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة أن تحدث ثورة في طريقة تشغيل أجهزتنا.

ما هي بعض التطبيقات المحتملة للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة في صناعة السيارات؟

المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لديها القدرة على استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات في صناعة السيارات. فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة [4] :

• المركبات الهجينة والكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة جنبًا إلى جنب مع البطاريات لتوفير نبضات عالية الطاقة لتسريع الكبح والتجدد، مما يمكن أن يحسن الكفاءة الإجمالية للسيارة.
• أنظمة التوقف والتشغيل: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتشغيل الأنظمة الكهربائية للمركبة أثناء أحداث توقف المحرك، مما يقلل من استهلاك الوقود والانبعاثات.
• دعم الطاقة: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتوفير طاقة احتياطية للأنظمة الحيوية في حالة انقطاع التيار الكهربائي، مثل الوسائد الهوائية وإضاءة الطوارئ.
• نموذج مجال التردد: يمكن استخدام المكثفات الفائقة في تطبيقات الطاقة الصناعية التي تتطلب كثافة طاقة عالية، مثل محولات الطاقة الإلكترونية.

بشكل عام، تتمتع المكثفات الفائقة الحالة الصلبة بإمكانية تحسين كفاءة وأداء الأنظمة المختلفة في صناعة السيارات.

ما هي الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

هناك معلومات محدودة متاحة عن التأثيرات البيئية المحددة لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة. ومع ذلك، فقد بحثت بعض الدراسات في استخدام المكثفات الفائقة في سياق أجهزة تخزين الطاقة على نطاق أوسع. فيما يلي بعض الآثار البيئية المحتملة التي يجب مراعاتها [3,4] :

• مصادر المواد: يتطلب إنتاج المكثفات الفائقة استخدام مواد مختلفة، بما في ذلك المعادن والبوليمرات. يمكن أن يكون لتوريد هذه المواد آثار بيئية، مثل تدمير المصادر، وتلوث المياه، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من التعدين والنقل.
• استهلاك الطاقة: تتطلب عملية تصنيع المكثفات الفائقة طاقة يمكن أن تسهم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتأثيرات البيئية الأخرى.
• التخلص من الأجهزة بعد نهاية العمر الافتراضي: مثل جميع الأجهزة الإلكترونية، ستصل المكثفات الفائقة في النهاية إلى نهاية عمرها الإنتاجي وتحتاج إلى التخلص منها. يمكن أن يكون للتخلص من النفايات الإلكترونية آثار بيئية كبيرة، بما في ذلك تلوث التربة والمياه من المواد الكيميائية السامة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من الحرق.
• أداء درجات الحرارة المنخفضة: وجدت إحدى الدراسات أنه يمكن تحسين أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة باستخدام الطاقة الحرارية الشمسية، مما قد يقلل من الحاجة إلى مصادر الطاقة الأخرى التي لها تأثيرات بيئية.

بشكل عام ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بشكل كامل. ومع ذلك، فمن الواضح أن إنتاج هذه الأجهزة والتخلص منها يمكن أن يكون له تأثيرات بيئية، ويجب بذل الجهود لتقليل هذه الآثار من خلال المصادر المستدامة، والتصنيع الموفر للطاقة، والممارسات المسؤولة للتخلص في نهاية العمر.

لا تزال المكثفات الفائقة الحالة الصلبة في المراحل الأولى من التطوير، ولكن لديها القدرة على إحداث ثورة في صناعة تخزين الطاقة. بفضل كثافة الطاقة العالية والمتانة والسلامة، يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة، من السيارات الكهربائية إلى الأجهزة القابلة للارتداء.

المصادر          

1. Thermally Chargeable Solid-State Supercapacitor | Advanced Energy Materials
2. Flexible all-solid-state supercapacitors with high capacitance, long cycle life, and wide operational potential window: Recent progress and future perspectives | Journal of Energy Storage
3. A mini-review: emerging all-solid-state energy storage electrode materials for flexible devices | Nanoscale
4. Recent progress in the all-solid-state flexible supercapacitors | SmartMat

هل تساءلت يومًا عن سبب تسخين بعض المواد أسرع من غيرها؟ أو لماذا يتطلب تسخين كوب من الماء طاقة أكثر من كوب الحليب؟ الإجابة على هذه الأسئلة تتعلق بالسعة الحرارية Heat capacity، والسعة الحرارية النوعية Specific heat capacity للمواد المختلفة.

السعة الحرارية هي مقدار قدرة المادة على الاحتفاظ بالحرارة. تخيل أن لديك مادتين مختلفتين، مثل المعدن والبلاستيك. إذا وضعت المادتين في نفس القدر من ضوء الشمس، فسوف يسخن المعدن بشكل أسرع من البلاستيك. هذا لأن المعدن له سعة حرارية أعلى من البلاستيك. يمكن للمعدن الاحتفاظ بمزيد من الطاقة الحرارية دون تغيير كبير في درجة حرارته.

ما هي السعة الحرارية؟

السعة الحرارية هي مقياس لمقدار الطاقة الحرارية التي يمكن للمادة أن تمتصها دون تغيير كبير في درجة حرارتها. بمعنى آخر، السعة الحرارية هي مقياس لمدى “مقاومة الحرارة” لمادة ما. وللمواد المختلفة سعات حرارية متباينة. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء. نتيجة لذلك، يتطلب تسخين الماء طاقة أكثر مما يتطلبه تسخين الهواء [1,2] . لكن إن كانت هذه السعة الحرارية فما المقصود بالسعة الحرارية النوعية إذن؟

ما هي السعة الحرارية النوعية؟

السعة الحرارية النوعية لمادة ما هي مقياس لمقدار الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة بمقدار درجة واحدة. ولأن المواد المختلفة تمتلك سعات حرارية متباينة، إذ يحتوي الماء على سعة حرارية محددة تبلغ 4.184 جول / جم درجة مئوية، بينما يحتوي الحديد على مقدار محدد يبلغ 0.450 جول / جم درجة مئوية. هذا يعني أن ارتفاع درجة حرارة جرام واحد من الماء بمقدار 4.184 مرة أكثر مما يتطلبه الأمر لرفع درجة حرارة جرام واحد من الحديد بدرجة واحدة.

السعة الحرارية والسعة الحرارية النوعية مفاهيم مهمة في العلوم والهندسة. ويتم استخدامهم في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الطهي وتدفئة المباني وتصميم المحركات. إليك تجربة ممتعة يمكنك القيام بها مع طفلك لمعرفة المزيد عن السعة الحرارية وعن تطبيقاتها.

تجربة صنع بالون مقاوم للنار

هل أنت مستعد لتجربة بالون سهلة للغاية؟ تستخدم تجربة البالون خدعة رائعة مع الماء لجعلها مقاومة للنار. دعنا نبدأ [3].

الخطوات

1. نفخ بالون بالهواء.
2. اشعل شمعة وضعها على طبق.
3. اجعل البالون قريبًا من اللهب قدر الإمكان حتى ينفجر.
4. املأ بالونًا آخر بقليل من الماء من الصنبور ثم انفخه بالهواء ليصبح في حجم البالون الأول.
5. اخفض البالون المملوء بالماء والهواء باتجاه اللهب وانظر ماذا سيحدث!
6. أزل البالون من اللهب ولاحظ البقعة المحترقة من البالون، لكنها لم تنفجر! لماذا؟

الملاحظات

تأكد من أن طفلك قد لاحظ انفجر البالون الأول عند وضعه بالقرب من مصدر حرارة، وأنه يتساءل من عدم انفجار البالون الآخر الذي يحتوي الماء قبل أن تكشف عن السبب، فعملية التساؤل ضرورية للتعلم.

اعتمادًا على كمية الماء الموجودة في البالون الثاني، يسخن الماء بدرجة كافية (عادةً في غضون 30 ثانية إلى دقيقة واحدة)، وسينفجر في النهاية كالبالون الأول، لكنه انتظر كثيرًا قبل الانفجار، أليس كذلك؟

يمكنك إخراج البالون من اللهب قبل الانفجار والنظر إلى المكان الذي تعرض للنار. قد تشعر بالدهشة لأنه على الرغم من أن البالون الخاص بك يبدو محترقًا من اللهب في ذلك المكان الملامس للنار، إلا أنه لم ينفجر بالماء في كل مكان. في الواقع، إذا نظرت عن كثب إلى الجزء السفلي من البالون حيث لامس اللهب اللاتكس ، فستكون هناك بقعة سوداء. هذه البقعة السوداء ليست البالون الذي يحترق في الواقع ، لكنه رواسب الكربون التي تُركت على البالون بينما حرق اللهب الأكسجين وأطلق ثاني أكسيد الكربون. يمكنك بالفعل انتزاع منشفة مبللة أو قطعة قماش ومسح برفق السخام الكربوني الأسود من البالون، ليبدو وكأنه جديد.

لماذا لا ينفجر بالون الماء بنفس سرعة البالون الهوائي؟

السر وراء تجربة البالون والشمعة موجود حقًا في الماء. حيث يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء، مما يعني أنه يستهلك طاقة لتسخين المياه أكثر بكثير مما يتطلبه تسخين الهواء. فالماء قادر على امتصاص الكثير من الحرارة من اللهب وسحبها بعيدًا عن اللاتكس، مما يمنع مادة اللاتكس الخاص بالبالون من الذوبان، ولا يسمح للبالون بالانفجار لوقت أطول. في النهاية، سيصبح الماء ساخنًا بدرجة كافية بحيث لا يحافظ على مادة اللاتكس باردة بدرجة كافية وسينفجر البالون، لكن الأمر سيستغرق وقتًا أطول بكثير عن البالون الذي كان به هواء فقط.

ما العوامل المؤثرة على السعة الحرارية؟

السعة الحرارية خاصية مادية، تعتمد على عدة عوامل كالآتي:

1. الكتلة: تتناسب السعة لمادة ما طرديا مع كتلتها. مما يعني أن الكتلة الأكبر ستتطلب مزيدًا من الحرارة لرفع درجة حرارتها مقارنةً بالحرارة التي تتطلبها كتلة أصغر لترتفع حرارتها بنفس المقدار.
2. حالة المادة: يمكن أن تتغير السعة الحرارية للمادة اعتمادًا على حالتها. على سبيل المثال، للماء مقدار أعلى كسائل منه كغاز. وذلك لأن الجزيئات الموجودة في السائل تكون أقرب من بعضها البعض ولديها قدرة أكبر لامتصاص الحرارة من الجزيئات الموجودة في الغاز.
3. القوى بين الجزيئات: يمكن أيضًا أن تتأثر السعة الحرارية لمادة ما بقوة الربط بين جزيئات المادة. على سبيل المثال، للماء سعة حرارية أعلى من الكحول لأن جزيئات الماء لها قوة ربط أقوى بين الجزيئات من الكحول.

• 6 أشياء غريبة تحدث في الفضاء
• اختلاف أرسطو وديكارت في تفسير الظواهر
• الاحتمالات في ميكانيكا الكم

ما هي التطبيقات اليومية للسعة الحرارية في الحياة الواقعية؟

نتيجة لأهمية هذه الخاصية في علوم المواد، تُستخدم لدراسة مدى ملائمة واختيار المواد المختلفة للعديد من التطبيقات في الحياة الواقعية اليومية مثل الطهي وتدفئة المباني. كذلك على المستوى الصناعي تستخدم الخاصية في تصميم المحركات وتشغيلها في السكك الحديدية [4].

تطبيقات في حياتنا اليومية

1. الطهي: تُستخدم هذه الخاصية في الطهي لتحديد المدة التي يستغرقها طهي الطعام. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية عالية، لذلك يستغرق تسخينه وقتًا أطول من الزيت. نتيجة لذلك يتم طهي الطعام بشكل أسرع عند طهيه بالزيت بدلاً من الماء.

2. المواد المستخدمة في صنع أواني الطهي: أواني طهي الخضروات وما إلى ذلك مصنوعة من مواد منخفضة الحرارة ذات قاع مصقول. لذلك، تسخن بشكل أسرع مثل النحاس والألمنيوم والجرانيت وما إلى ذلك.

3. مقابض الأواني في المنزل مصنوعة من مواد توفر العزل الحراري. وتؤثر الحرارة النوعية أيضًا على قدرة العزل والموصلية.

4. استخدام مواد حرارية عالية الجودة كعوازل: الخشب على سبيل المثال لديه حرارة نوعية عالية. خلال فصل الصيف، تحافظ البيوت الخشبية على برودة الداخل. ويمكن للبناة اختيار مواد البناء المناسبة بناءً على الموقع والارتفاع. مما يتيح بناء منازل أكثر دفئًا أو برودة.

تطبيقات في الصناعة

1. تصميم أنظمة الحماية من الحرائق: تُستخدم السعة الحرارية في تصميم أنظمة الحماية من الحرائق لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها نظام الحماية من الحرائق دون ارتفاع درجة الحرارة. لذلك تُستخدم المواد عالية السعة الحرارية، مثل الماء كي تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية الأشخاص والممتلكات من الحرائق.
2. تصميم المحركات: تستخدم السعة الحرارية في تصميم المحركات لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها المحرك دون ارتفاع درجة حرارته. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل المعادن، أن تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية المحركات من التلف.
3. تصميم العزل الحراري: تستخدم السعة الحرارية في تصميم العزل الحراري لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن نقلها عبر المادة. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل الرغوة إبطاء نقل الحرارة، مما يساعد على إبقاء الأشياء دافئة أو باردة.
4. تشغيل محركات السكك الحديدية أو الدوارات في مولدات التيار المتردد: يستخدم البخار لنقل الكثير من الطاقة الحرارية عند ضغوط عالية  للبخار حرارة نوعية عالية (أكثر من الماء)

المصادر

1. Heat capacity | Britannica
2. Heat capacity and calorimetry | Khan Academy
3. Heating water in a experiment | Physics Demo
4. Applications of Specific Heat Capacity | Heat | myhometuition Youtube Channel

تُستخدم العديد من التقنيات الكهروكيميائية لقياس النشاط الكهروكيميائي للمواد المختلفة. قد تكون التجارب لقياس التيار الناتج عند تطبيق مدى واسعة من الجهد الكهربي أو قياس الجهد الكهربي الناتج من تطبيق تيار كهربي على القطب. في هذا المقال، سنناقش الخلية المستخدمة لمثل هذه التقنيات، ألا وهي الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب The 3-electrode cell.

مم تتكون الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب هي عبارة عن دائرة كهربية من ثلاثة أقطاب متصلة معًا حيث يتم التحكم بها من خلال جهاز التحكم في الجهد -potentiostat. ولذلك تُستخدم لقياس النشاط الكهروكيميائي للأقطاب (نصف خلية). تتكون الخلية من ثلاثة أقطاب:

 1. قطب العمل- Working Electrode (WE)

قطب العمل هو القطب المستخدم لدراسة المادة النشطة كهروكيميائيًا. يتم تطبيق جهد ثابت أو مدى واسع من الجهد الكهربي على قطب العمل للتحاليل الكهروكيميائية المختلفة لدراسة نشاط وتفاعلات المادة محل الدراسة. نتيجة لذلك تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال عند تطبيق الجهد/ التيار الكهربي. يتكون قطب العمل غالبًا من طبقات من المواد الصلبة مُرسبة على ألواح معدنية مثل النحاس أو الألمونيوم–  Al or Cu sheet أو الكربون الزجاجي- Glassy Carbon (GC) أو قطب الزئبق المتساقط – Dropping Mercury Electrode (DME) لدراسة المحاليل السائلة.

2. القطب المرجعي- Reference Electrode (RE)

يلعب القطب المرجعي دورًا هامًا كمرجع في القياس والتحكم في الجهد الكهربي للقطب العامل، دون تمرير أي تيار حيث أن القطب المرجعي له جهد ثبات. لذلك يتم قياس وتطبيق الجهد الكهربي في الدائرة الكهربية بناء على جهد القطب المرجعي. علاوة على ذلك، تختلف قيمة جهد القطب المرجعي باختلاف المادة المكونة للقطب لذا من الضروري أن تكون الأقطاب المرجعية مستقرة كيميائيًا مما يحافظ على قيمة الجهد لفترة طويلة في الأوساط المختلفة. على سبيل المثال، من أهم الأقطاب المرجعية المُستخدمة في الكيمياء الكهربية:

3. القطب المساعد- Counter Electrode (CE)

تتركز أهمية القطب المساعد في الخلية ثلاثية الأقطاب في غلق الدائرة الكهربية وذلك عن طريق تطبيق جهد معاكس للجهد المُطبَّق على جهد قطب العمل. بينما يتم أكسدة القطب العامل، يحدث اختزال على القطب المساعد والعكس صحيح. هكذا يتم غلق الدائرة الكهربية وغلق مسار حركة الإلكترونات مما يسبب مرور تيار كهربي يمكن قياسه وتحليله لدراسة المادة الفعالة. لذلك يكون الدور الأهم للقطب المساعد هو تمرير كل التيار اللازم لموازنة التيار الذي لوحظ في القطب العامل.

من الجدير بالذكر أنه يتم استخدام أقطاب مساعدة مصنوعة من مواد موصلة للكهرباء لكنها خاملة كهروكيميائيًا كالذهب والبلاتينوم حتى لا يحدث أي تداخل للتفاعلات الكهروكيميائية الخاصة بالمادة الفعالة. كما من الضروري استخدام قطب مساعد بمساحة سطح كبيرة نسبيًا مقارنة بمساحة سطح قطب العمل للتأكد من تكافؤ سرعات التفاعلات الكهروكيميائية على القطبين.

ما أهمية الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

تتمثل أهمية الخلية المُعدة من ثلاثة أقطاب في إمكانية عزل التفاعل الحادث عند القطب الكهربي العامل فقط. من أجل دراسة تفاعلات المادة الفعالة، يلزم عزل التفاعل عند القطب الكهربي العامل، وذلك عن طريق إدخال القطب المرجعي، أي القطب الثالث. لذلك يحتوي هذا القطب على جهد كهربي محدد ولا يمر أي تيار من خلال القطب المرجعي أثناء القياسات بحيث يكون الجهد ثابتًا. من خلال هذا الإعداد، يمكن للمرء ضبط الجهد بين قطب العمل والقطب المرجعي مع ترك التيار يمر بين القطب العامل والقطب المساعد. نتيجة لذلك، يكون قادرًا على دراسة التفاعل فقط عند القطب العامل دون أي تأثير من تفاعل القطب الكهربي المضاد.

عم تختلف الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب عن ثنائية القطب؟

لدراسة سلوك المادة على سطح القطب/الإلكتروليت، نحتاج إلى مراقبة كل من الجهد والتيار. وذلك عن طريق وضع القطب العامل في محلول إلكتروليتي وإخراج النظام من توازنه. يمكن القيام بذلك عن طريق استقطاب القطب إما كاثوديًا أو أنوديًا عن طريق تطبيق الجهد أو التيار على القطب العامل. من أجل تطبيق الجهد، نحتاج إلى قطب مرجعي ذي جهد كهربي ثابت. بعد تطبيق الجهد، يتعين علينا تسجيل تأثير اضطراب النظام الكهربي. للقيام بذلك، يتعين علينا تسجيل التيار الذي تطور عبر القطب العامل وبعض الأقطاب الكهربائية الأخرى. لذلك نحن بحاجة إلى قطب كهربي ثالث يسمى القطب المساعد. أهم دور للقطب المساعد هو إكمال الدائرة لحمل التيار. لذا من أجل دراسة السلوك الكهروكيميائي للتحليل باستخدام تقنيات كهروكيميائية مثل التقنيات الفولتمترية وما إلى ذلك، يجب أن نستخدم نظام الأقطاب الثلاثة بدلاً من نظام ثنائي القطب.

إذا قمت بتشغيل إعداد ثنائي القطب، فأنت تقوم بتعيين جهد أو تيار بين قطب العمل والمساعد. في هذا الإعداد، تكون الاستجابة المُقاسة عبارة عن مزيج من الاستجابة على قطب العمل القطب المساعد.

المصادر

1.  Gamry | Two, Three and Four Electrode Experiments
2. Zensor |  Electrochemical System

على الرغم من أن السعة التخزينة للبطاريات تفوق سعة المكثفات إلا أن تلك الميزة هي سلاح ذو حدين. لا يمكن استخدام البطاريات في الأجهزة التي تتطلب كمية كبيرة من الطاقة لحظيًا كما أنها تمتلك فترة عمر أقصر. وعلى صعيد آخر، تتميز المكثفات بمعدل عالٍ لتفريغ الطاقة لحظيًا لكنها تفتقر للسعة التخزينية الهائلة كما في البطاريات. أيضًا من أهم ما يميز المكثفات هي طول فترة عمرها وإمكانية إعادة الشحن والتفريغ لمرات عديدة بكفاءة عالية. لملء الفجوة بين المكثفات والبطاريات والوصول لمعدل تفريغ طاقة عالٍ بسعة تخزينة كبيرة توصل العلماء لاختراع المكثفات فائقة التوصيل الكهربي-[1] Supercapacitor or Ultracapacitor. في هذا المقال سنتعرف ماهية المكثفات فائقة التوصيل وأنواعها وتطبيقاتها وكذلك التحديات التى تواجهها كجيل جديد لتخزين الطاقة.

ما هي المكثفات الفائقة؟

المكثفات الفائقة هي أحد أجهزة تخزين الطاقة. إنه جهاز يجمع بعض صفات المكثفات التقليدية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. يخزن الطاقة من خلال تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات على قطبي المكثف الفائق أو من خلال التفاعلات الكهروكيميائية للمواد الفعّالة المكونة للأقطاب[1,2] .

يختلف المكثف الفائق من حيث السعة التخزينية العالية جدًا مقارنة بالمكثف العادي. يخزن المكثف العادي الطاقة عن طريق تخزين شحنة ثابتة بدلاً من تفاعل كهروكيميائي. وذلك عن طريق تطبيق فرق الجهد على قطبي موصلي الكهرباء الموجب والسالب إلى شحن المكثف. هذا مشابه لتراكم الشحنات الكهربائية عند المشي على السجادة أو الاحتكاك بجسم خشن. فيحتفظ جسدك بكهرباء إلكتروستاتيكية. ممايؤدي في حالة لمس جسم ما إلى إطلاق الطاقة من خلال الإصبع مثلًا.

كيف تطورت المكثفات الفائقة؟

اقترح الفيزيائي الألماني هيلمهولتز عام 1879 مكثفًا فائقًا يخزن الطاقة عن طريق استقطاب الإلكتروليتات. بحلول عام 1957، تقدم أمريكي يدعى بيكر بطلب للحصول على براءة اختراع لمكثف كهروكيميائي. قام باستخدام الكربون المُنشط مع مساحة سطح محددة عالية كمواد قطب كهربائي.

ثم في عام 1962، أنتجت شركة Standard Oil Company (SOHIO) مكثفًا فائقًا بقوة 6 فولت مع الكربون المنشط. ثم في عام 1979، بدأ إنتاج المكثفات الفائقة كتطبيق تجاري واسع النطاق. مع التقدم المستمر للتقنيات الرئيسية في المواد والعمليات، والتحسين المستمر لجودة المنتج وأدائه، بدأت المكثفات الفائقة في دخول فترة التطوير. وتستخدم حاليًا على نطاق واسع في الصناعة وفي مجال الأجهزة المنزلية. مما أدى إلى تكثيف جهود العديد من الباحثين لأكثر من 100 عام. حتى الآن، تم تحسين الأداء باستمرار. ونتطلع إلى استخدام المكثفات الفائقة بأداء أفضل في المستقبل [2].

ما هي أنواع المكثفات الفائقة تبعًا لآليات تخزين الطاقة ؟

1. مكثفات الطبقة المزدوجة الكهربية Electrical Double Layer Capacitor (EDLC)

تعتمد على تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات. الطبقة الأولى هي شحنة الجسم. والطبقة الثانية تكونت نتيجة تجاذب الأيونات المخالفة للجسم في الشنحة كما يحدث في شكل 1A الذي يمثل مادة كربونية. وكذلك شكل 1B الذي يمثل مادة كربونية مسامية كما يحدث في المكثفات. وتُعتبر المواد الكربونية (جرافين، أنابيب الكربون النانوية، مشتقات كربيد الكربون، الكربون النشط، إلخ) من أهم المواد التي تعتمد على هذه الآلية في تخزين الطاقة[1].

2. مكثفات كاذبة Pseudocapacitor (PC)

يتم تخزين الطاقة من خلال تفاعلات كهروكيميائية بين المواد المكونة للقطب والالكتروليت المحيط به كما في الشكل1C  والذي يفسر تخزين الطاقة في البطاريات. وهناك أيضا آلية حركة/إقحام أيونات المحلول الإلكتروليتي  في مسامات الأقطاب الكهربية. ينشأ عن ذلك تيار كهربي نتيجة حركة الأيونات/الإلكترونات من وإلى المحلول الإلكتروليتي والمادة النشطة للقطبين (شكل 1D). وتُعد هذه أحد أشهر آليات التخزين عند استخدام موصلات مسامية كفوم المعادن الانتقالية. وأيضًا مركبات العناصر الانتقالية (أكاسيد، نيترات، فوسفات، نتريد، كربيد العناصر الانتقالية) مواد نشطة كهروكيميائيًا يمكنها إنتاج كمية كبيرة من الطاقة عن طريق عمليات الأكسدة والاختزال الانعكاسية Reversible redox reactions [1].

3. مكثفات هجينة Hybrid Supercapacitors:

تعتمد المكثفات الهجينة على آليات التخزين المختلفة معًا. فيقوم أحد القطبين بتخزين الطاقة عن طريق تكوين طبقة مزودجة من الشحنات بينما القطب الآخر يعتمد على آلية التفاعلات الكهروكيميائية. تتميز هذه المكثفات بأنها تعمل في مدى أوسع من جهد التشغيل من النوعين السابقين. كما أنها تعتمد على آليات تخزين مختلفة مما يزيد من فترة عمرها [1].

شكل 1:  (A) مادة كربونية، (B) مادة كربونية مسامية، (C)  مادة نشطة للتفاعلات الكهروكيميائية، (D) إقحام الأيونات المحلول الإلكتروليتي في مادة القطب [1]

ما أهم مميزات المكثفات فائقة التوصيل الكهربي؟

ما يميز المكثفات الفائقة هو قدرتها على تخزين الطاقة بكل الآليات الممكنة مما يجعلها الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة. فيمكن تعديد مميزات المكثفات فائقة التوصيل عن البطاريات والمكثفات العادية، في النقاط التالية [3,4]:

1. سعة تخزين أعلى بمئات المرات من المكثفات العادية. وذلك لقدرتها على تخزين الطاقة بالطرق المختلفة السابقة وليس عن طريق تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات أو التفاعلات الكهروكيميائية فقط.
2. القدرة على تفريغ الطاقة بمعدل أعلى من البطاريات حيث أن طبقة الشحنات المزدوجة تعمل على تفريغ طاقتها في وقت قصير. وأيضًا آلية إقحام الأيونات والإلكترونات تولد تيار كهربي نتيجة حركة الجسيمات السريعة. تلك من أهم مميزات المكثفات الفائقة مما جعل العلماء يعملون على تطويرها لاستخدامها في مكابح السيارات الكهربية وغيرها من الأجهزة الكهربية الحديثة.
3. يمكن إعادة شحن الأجهزة آلاف المرات دون أي فقد في السعة التخزينة أو معدل التفريغ.

ما تطبيقات المكثفات الفائقة؟

يمكن استخدام المكثفات فائقة التوصيل في التطبيقات التي تتطلب شحن/تفريغ سريع للطاقة كمكابح السيارات الكهربية وأجهزة توليد الطاقة المتجددة ورادارات الطرق. بينما تُستخدم البطاريات في الأجهزة التي تتطلب توليد الطاقة على المدى الطويل كبطارية الهاتف المحمول والبطاريات المنزلية. وأيضا تُستخدم المكثفات الفائقة في التحكم في ضغط الكهرباء القطارات الكهربية  أثناء تخفيض سرعتها لتقليل استهلاك الطاقة [5].

ما التحديات التي تواجه المكثفات فائقة التوصيل؟

تستخدم المكثفات الفائقة على نطاق واسع في النقل والصناعة والجيش والإلكترونيات الاستهلاكية وغيرها من المجالات بسبب خصائصها الممتازة. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة بها بعض أوجه القصور. يتم وصف المشكلات الحالية التي تحتاج إلى حل بشكل أساسي في الجوانب الأربعة التالية [6] :

1. المشاكل الفنية للمكثفات الفائقة:

كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة ليست عالية جدًا. في الوقت الحالي، لا تزال هناك فجوة معينة بين المكثفات الفائقة والبطاريات من حيث كثافات الطاقة. ولا تزال كيفية تحسين كثافة الطاقة هي محور البحث وصعوبته. يمكن تعزيز كثافة الطاقة عن طريق زيادة مساحة السطح الفعالة لمواد الأقطاب في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة أو زيادة نافذة جهد التشغيل أو كليهما. يتم إجراء المزيد من الأبحاث لتطوير مواد جديدة ذات مساحة سطح عالية واستخدام إلكتروليتات عضوية مناسبة يمكن أن تتحمل نافذة جهد أكبر. إذا تمت معالجة هذه الامتدادات بشكل صحيح ، يمكن أن تصبح كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة مماثلة للبطاريات.

2. كشف الثبات والاتساق:

نافذة الجهد للمكثف الفائق منخفض (أقل من 2.7 فولت)، الأمر الذي يتطلب الكثير من التوصيلات المتسلسلة للتطبيقات العملية. نظرًا للحاجة إلى شحن وتفريغ عاليين في التطبيقات، فإن الشحن الزائد له تأثير خطير على عمر المكثفات. فمن المهم جدًا ما إذا كانت الفولتية على المكثفات الفردية في السلسلة متسقة أم لا.

3.المعيار الصناعي:

كجهاز جديد لتخزين الطاقة، لا يمكن فصل التطوير الصحي للمكثفات الفائقة عن الصناعة والإشراف على السوق. تهدف مجموعة من الأنظمة القياسية التقنية إلى صياغة معايير الصناعة العملية، والمعايير الوطنية، وحتى المعايير الدولية. على سبيل المثال، المصطلحات وطريقة تسمية نموذج التصنيف وطريقة اختبار الأداء الكهربائي والمتطلبات الفنية للسلامة والمواصفات العامة ومواصفات مادة القطب الكهربائي ومواصفات الإلكتروليت وسلسلة مواصفات الشاحن والمتطلبات الفنية للإنتاج ومتطلبات النقل والاسترداد ويجب وضع متطلبات تدمير المكثفات الفائقة. وأيضًا معايير أخرى تهدف إلى توجيه وتوحيد صناعة المكثفات الفائقة لتحقيق هدف التخلص من إعادة التدوير الأخضر بتكلفة منخفضة. إنها وسيلة ضرورية لتعزيز التنمية الصحية للصناعة.

المراجع:

1. Science | Where Do Batteries End and Supercapacitors Begin? .
2. JEC| The History Of Supercapacitors
3. Chemical Reviews | Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials
4. Batteryuniversity | How does a Supercapacitor Work?
5. Encyclopedia | Supercapacitor Applications and Developments
6. APL Materials | Challenges and opportunities for supercapacitors

يعد الجدول الدوري بالدرجة الأولى واحدًا من رموز العلم؛ فلم يتوقع ديمتري مندلييف أن ملاحظته لتشابه عدة عناصر كيميائية في الخواص وتدرجها بالوزن الذري ومحاولته تفنيدها وفقًا لذلك في مجموعات أنه سيبدأ بعملٍ خالدٍ ومرجعيٍ يعود له الباحثين والعلماء في الكيمياء.

من المعروف بأن من هو على اطلاع بالفن له نظرة خاصة ونوعية للّوحات الفنية لا يملكها العوام. فالفنان لا يرى لوحة الموناليزا مثلًا كامرأة متهكمة بملامح باردة، بل يثّمنها لأنه عليم ملمٌ بمواطن الإبداع والعبقرية فيها.

كذلك الأمر عند حديثنا عن الجدول الدوري، فهو لوحة فنية بعيون الكيميائي، نجمت عن جهود متراكمة لعدد من العلماء على مدار أعوامٍ من العمل الدؤوب المتواصل. إذًا، كيف تم ترتيب هذه العناصر؟ وعلى أي أساس؟ وهل اكتشفنا جميع العناصر وحصرنا عددها أم لم ننتهي بعد؟

لمحة عامة عن الجدول الدوري

اكتسب الجدول الذي يجمع العناصر الكيميائية لفظة “الدوري” للدلالة على ترتيب العناصر فيه بشكل متسلسل متدرج بالحجم -بازدياد نصف القطر الذري– في الدور الواحد (السطر الأفقي)، مع ترتيب العناصر في أعمدة (سطور رأسية) بناءً على العدد الذري، والتوزيع الالكتروني والخواص الكيميائية. سمح ذلك للباحثين بالتنبؤ بخواص عناصر لم تُكتشف أو تُدرس بعد بحسب موقعه المُمَهد له في الجدول الدوري!

يضم الجدول الدوري 7 أدوار (سطور) و18 فصيلة (عمود)، ويسوده المعادن ثم أشباه المعادن واللامعادن. وبالنظر للتوزيع الإلكتروني في الطبقة السطحية، يعبر العمودين الأوليين في جهة اليسار عن المعادن القلوية عن “القَطَّاع s”، أما الأعمدة الستة في جهة اليمين تعبر عن “القَطَّاعp “. والعناصر التي في أوسط الجدول “القَطَّاعd “، وأخيرًا، العناصر التي في أسفل الجدول ومنفصلةٍ عنه “القَطَّاعf”.

مراحل تطور الجدول الدوري تاريخيًا

قام مندلييف بوضع نموذج أولي بسيط للجدول الدوري في ستينات القرن التاسع عشر، ليعرض ابتكاره على الجمعية الكيميائية الروسية عام 1869 لتعتمده الأخيرة وتنشره.

عصر المفاعلات النووية

بحلول عام 1940 تم اكتشاف 92 عنصرًا في الطبيعة انتهت بأثقلها “U – اليورانيوم “. إلا أن شغف العلماء والباحثين قادهم إلى تصنيع 26 عنصرًا جديدًا في المفاعلات النووية عبر ما يعرف بتفاعلات الاندماج النووي (دمج نواتي ذرتين لخلق ذرة جديدة). ولمّا كانت النواتين الداخلتين في التفاعل النووي موجبتي الشحنة، وجب تطبيق قوة تفوق التنافر الكهربي الساكن بين الشحنتين المتماثلتين. وقوة التنافر تلك تزيد عن قوة انفجار الديناميت TNT بملايين المرات، لذلك عملية التخليق أو التصنيع النووي ليست ببساطة عملية تصنيع مركب كيمائي [1].

تمت دراسة بعض هذه العناصر كيميائيًا وإضافتها جميعًا للجدول الدوري، ودعيت لاحقًا “بعناصر ما بعد اليورانيوم” لأنها تَلي عنصر اليورانيوم في الجدول الدوري. وفي نفس العام، تم تصنيع العنصر (93) “Np – النبتونيوم” والعنصر (94) “Pu – البلوتونيوم” ثم تصنيع كل من “Am – الأمريكيوم” (95) و”Cm – الكوريوم” (96) عام 1944 [1].

غلين سيبورج ومساهماته في الجدول الدوري

اعتقد العلماء بإمكانية وضع العناصر الجديدة في أوسط الجدول الدوري، إلا أنه كان ل «غلين سيبورج» رأيٌ مختلف. إذ تنبأ غلين وفقًا للتوزيع الإلكتروني للعناصر الجديدة بخواص جديدة ومتفردة ، بناءً عليه، اقترح نموذجًا للجدول الدوري تكون فيه تلك العناصر بدورين (سطرين) أسفل الجدول الدوري. ووضع غلين العناصر الجديدة بمعزلٍ لتحري التبسيط في العرض وهما اللانثانيدات والأكتيندات على الترتيب، وهو ما تم تأكيده بمرور الوقت والعمل به. ليستحق غلين بذلك جائزة نوبل في الكيمياء عام 1951 مناصفّةً مع ماكميلان؛ فضلًا عن جهودهما الرائدة في تصنيع 9 عناصر ما بعد اليورانيوم. ولعل تشريف اسم غلين سيبورج في عنصر “Sg – السيبورجيوم” يرقى عن الذي تكتنفه جائزة نوبل [1].  ليتوالى بعدها تخليق عناصر جديدة منتهيةً بآخر عنصر “Og – الأوغانيسون” عام 2016 ذو العدد الذري (118).

ومنذ ذلك الوقت عكف العلماء والباحثين على تخليق عناصر جديدة ذات العدد الذري (119) و(120)، إلا أنه ولسوء حظوظهم، لم تتكلل جهودهم بالتوفيق إلى يومنا هذا. معتبرين بأن النتائج المنشودة تتطلب فهمًا أكبر للتفاعلات النووية وفيزيائها. كما أنها فرصة مناسبة لنَذكر بأن عالمنا سيبورج نفسه تنبأ عام 1969 باتساع الجدول الدوري في المستقبل ليحتوي على (172) عنصر مما يتوجب إضافة دور (سطر) ثامن له، مع ضرورة وضع العناصر ذات العدد الذري التي تساوي (120) وتزيد عنه في قَطّاع جديد ” القَطَّاع g ” نظرًا لاختلاف التوزيع الإلكتروني في طبقتها السطحية، ومنه اختلاف في الخواص الكيميائية [2]. كما تم اقتراح نموذجين جديدين للجدول يتلاءما مع هذا التحديث [3].

عصر النكليدات Nuclides

تُعرف النكليدات بأنها مفهوم محيط ولفظ عام للنظائر، والنظائر هي عناصر لها نفس العدد الذري ولكن باختلاف العدد الكتلي. فمثلًا لذرة الكلور نظيرين في الطبيعة لهما الكتلتين 37 و35. للإيضاح، تخيل عزيزي القارئ لو أنه زاد وزنك مؤخرًا، فهل ستتغير شخصيتك ومعتقداتك وأفكارك؟ بالطبع لا، إذًا لا يوجد اختلاف في الخواص الكيميائية بين نظيري الكلور، وإنما في الكتلة والنشاط الاشعاعي. بتطور العلم استطاع البشر تصنيع ما يزيد عن 4000 نكليد من أصل 118 عنصر! [4]

للنكليدات استخدامات مختلفة في الطب والبحث العلمي والتحليل الكيميائي، وغيرها. وقصارى القول، إن فهم الجدول الدوري واتساقه وتطوره، يمنحنا فكرة متواضعة عن مدى تطور فهم البشرية للكيمياء بمرور الوقت. ويبقى السؤال المُحير، هل للجدول الدوري نهاية؟ أم أنه مترامي الأطراف بانتظار زيادة علمنا فيزداد اتساعًا؟!

المصادر

1. Periodic Table & Transuranium Elements Lesson Plan (acs.org)

2. The continuation of the periodic table up to Z = 172. The chemistry of superheavy elements | SpringerLink

3. Periodic table of elements revisited for accommodating elements of future years on JSTOR

4. Karlsruhe Nuclide Chart – New 10th edition 2018 | EPJ N (epj-n.org)