كيف نبني مطفأة لإخماد النار باستخدامِ الخلّ وصودا الخبز - مطفأة النار باستخدام الغاز.

تتطلبُ التجربة إشراف شخصٍ بالغ!

المعدات:

• خلّ
• مسحوق صودا الخبز
• كأس
• شمع
• قدّاحة أو أعواد ثقاب
• صحن
• ملعقة

مسار التجربة:

يمكنكم مشاهدة مسار التجربة في الفيديو التالي:

شرح

يتطلّبُ اشتعالُ النار وجود ثلاثة عوامل أساسية: مادة قابلة للاشتعال (مثل الخشب، الورق، الوقود، الفحم أو الدقيق)، مادة مؤكسِدة (عادة ما يكون الأكسجين في الهواء، ولكن هناك أيضًا مواد مؤكسدة أخرى) ومصدرًا للحرارة. تُسمى هذه العوامل الثلاثة مجتمعةً معًا "مُثلث النار". في حالة عدم توفر أحد هذه العوامل الثلاثة - لن تشتعل النار، وإذا توفّرت جميع هذه العوامل - تشتعلُ النار دون علاقة بالبيئة الخارجية المحيطة بها.

في الواقع، يعتمدُ إطفاء النار على التخلصِ من عاملٍ واحد أو أكثر من مثلث النار: التبريد - يعني التخلص من  الحرارة، التخلص من الأكسجين، أو التخلص من المواد القابلة للاشتعال.

تتمّ عملية إطفاء النار التي تظهر في التجربة بواسطة التخلص من الأكسجين من منطقة الحريق ("نقوم بخنقِ النار"). الأكسجين هو غاز موجود بتركيز 21 في المائة في الهواء الطلق، وبسبب كونه غازًا، فإنه يتدفق ويملأ أيّ مساحة فارغة بسرعةٍ كبيرة، لذلك من الصعب عزله. في التجربة نستخدمُ غازًا مختلفًا - ثاني أكسيد الكربون - ليحلّ محلَّ الأكسجين.

نُنتج غاز ثاني أكسيد الكربون في التفاعل الكيميائي: أي التفاعل بين الخلّ ومسحوق صودا الخبز. إنّ الخل الذي تكون صيغته الكيميائية  CH₃COOH,  عبارة عن مادة حمضيّة (كما يُشير اسمها)، أما بيكربونات الصودا، NaHCO_3، فهي مادة قاعدية بحيث تُشكّل المادتان معاً ما يسمى "بالتفاعل الحمضي القاعدي". التفاعلات الحمضية القاعدية هي تفاعلات كيميائية ينتقل فيها البروتون(⁺H) من الحامض إلى القاعدة، وتتميز بسرعة عالية جدًا. كيميائيًا، التفاعل الذي يحدث هو كالتالي:

₍CH₃COOH_(aq) + NaHCO_3(aq) ----> CH₃COONa_(aq) + H₂O_(l) + CO_2(g.

تُشير العلامات الموجودة في الأقواس السفلية إلى حالة المادة: (aq) - الذائبة في الماء، (L) - السائلة و (g) - الغازية. بتعابير مُبسّطة يخبرنا التفاعل أن مادتيّ الخلّ وبيكربونات الصودا القابلة للذوبان في الماء تتفاعلان مع بعضهما البعض عن طريق عملية يتمّ إطلاق ثاني أكسيد الكربون (CO₂).

حرصًا على الدقة العلمية، من المهم أن نذكر أنّ انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون ليس سمة مميزة للتفاعل الحمضي القاعدي بل لتفاعلات حمضية قاعدية محدودة جدًا فقط، بين الأحماض و"عائلتين" من القواعد تسمى الكربونات (carbonate) وهيدروجين الكربونات (بيكربونات، كمّا أنّ صودا الخبز تدعى أيضًا بيكربونات الصوديوم). الكربونات هي مصدر إطلاق الغاز في التفاعل.

في الواقع نحنُ نقوم بِ"سكبِ" الغاز من الكأس إلى الشموع فعليًا، تمامًا كما لو كان سائلاً يملأ الكؤوس. يحدث ذلك بسبب حقيقة أنّ ثاني أكسيد الكربون هو غاز "أثقل" من الهواء (كثافته أكبر من كثافة الهواء)، ومن ثمّ (حسب قانون الطفو لأرخميدس) فإنه يميل إلى الترسب نحو الأسفل، تمامًا كما يترسب حجرٌ ثقيل في الماء، وعلى عكس الغازات الخفيفة مثل الهيليوم والهيدروجين، التي ترتفع نحو الأعلى عند إطلاقها في الهواء.

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون في طفّايات الحريق التجارية: عندما نريد إطفاء الحرائق التي تُسبب فيها المياه مشكلة، مثل الحرائق في الألواح الكهربائية. لكن لا يُعدّ استخدامه جيدًا في جميع الحرائق، وهذا لكونه "مادة مؤكسدة" في بعض الأحيان، ومن ثمّ فإنه يُساهم في الحفاظ على مثلث النار. على سبيل المثال، في حريق معدن مثل المغنيسيوم، يستمر الحريق في الاشتعال حتى في مكعب ثاني أكسيد الكربون المجمد ("الثلج الجاف") دون الوصول إلى الأكسجين، عندما "ينقل" ثاني أكسيد الكربون ذرات الأكسجين إلى المغنيسيوم، ويتحول إلى فحم أسود اللون، كما هو موضح في الفيديو التالي: