راز قدرت انفجاری غیر معمول برای مواد: تأکیدی دوباره بر اهمیت عوامل مؤثر بر واکنش های شیمیایی

هنگامی که از مواد قابل انفجار صحبت می‌شود بی‌اختیار به یاد باروت، دینامیت یا بنزین می‌افتیم. اما اگر از شکر به‌عنوان چنین ماده‌ای یاد شود جای بسی شگفتی خواهد بود. چگونه ممکن است یک ماده غذایی معمولی و در دسترس، عامل انفجار و مرگ و میر باشد؟

شکل 1. شکر در شرایطی خاص منفجر می‌شود.

خمیر شیرینی؛ عامل انفجار

همه انفجارها، بدون در نظر گرفتن منبع آن‌ها، با آزاد شدن انرژی زیاد، تولید مواد گازی که به سرعت در محیط انتشار می‌یابند و انجام یک واکنش سریع همراهند. هنگامی که شکر با فرمول شیمیایی  C₁₂H₂₂O₁₁می‌سوزد، بی‌درنگ انرژی آزاد می‌شود. خمیر شیرینی که شکر بخش عمده‌ای از آن را تشکیل می‌دهد، همچنان که برشته می‌شود می‌تواند شعله‌ور شود و بسوزد.  معادله شیمیایی فرایند سوختن شکر به این قرار است:

 می‌بینیم که در سمت چپ معادله، 12 مول گاز وجود دارد در حالی‌که در سمت راست 23 مول‌گاز موجود است. این افزایش حجم درمول‌های گازی، ویژه واکنش‌های انفجاری است. اگر این افزایش در حجم مواد گازی، به‌سرعت روی دهد، انفجار اتفاق می‌افتد.  از این روست که وقتی ما شکر را می‌خوریم، در دهان ما منفجر نمی‌شود، حتی آتش هم نمی‌گیرد. در این حال، مولکول‌های شکر (ساکاروز) در معده به واحدهای سازنده خود یعنی گلوکوز، C₆H₁₂O₆ ، تجزیه می‌شوند. سپس گلوکوز در چند مرحله با اکسیژن واکنش می‌دهد که به تولید کربن دی‌اکسید، آب و انرژی می‌انجامد. این فرایند را می‌توان چنین خلاصه کرد:

این فرایند با سرعت کمتری نسبت به واکنش‌ انفجاری، روی می‌دهد در نتیجه، انرژی آن ذخیره می‌شود.  در اینجا هم کربن دی‌اکسید و آب تولید می‌شود اما آزاد شدن انرژی در چند مرحله صورت می‌گیرد.

عامل انفجار در کارخانه تولید شکر امپریال1، خمیر شیرینی بوده است،‌ نه شکر. با اینکه معادله واکنش شیمیایی ترکیب هر یک از این دو با اکسیژن مشابه است اما این واکنش‌ها با سرعت‌های متفاوتی روی می‌دهند.

راز قدرت انفجاری ذره‌های شکر

واکنش شیمیایی تجزیه خمیر شیرینی گاه به آرامی انجام می‌گیرد و گاه می‌تواند با انفجار کارخانه تولید آن همراه باشد. تفاوت این دو واکنش در چیست؟ پاسخ را باید در عوامل مؤثر بر سرعت واکنش‌ها جست‌وجو کرد. این عوامل عبارت‌اند از: ماهیت واکنش‌دهنده‌ها، حالت فیزیکی آن‌ها (جامد، مایع یا گازی بودن مواد)، دما و فشار محیط، سطح تماس یا اندازه‌ای از سطح که می‌تواند دستخوش تغییر شود.

از میان عوامل یادشده، عامل سطح تماس در جریان انفجار کارخانه امپریال نقش مهم‌تری دارد.

شکل 2. لایه‌‌های درونی سیب برخلاف سطح آن، در امان باقی می‌مانند.

محل انجام واکنش‌های شیمیایی برای مواد جامد، تنها در سطح آن‌ها خلاصه می‌شود. برای نمونه، هنگامی که سیب را برش می‌زنیم، سطح آن‌که در برابر هوا قرار دارد، به سرعت قهوه‌ای می‌شود. در حالی‌که لایه‌های درونی سیب از تغییر رنگ در امان باقی می‌مانند، شکل 2. نمونه‌ای دیگر، روشن کردن آتش با یک کنده بزرگ درخت است که کار دشواری است و به زمان زیادی نیاز دارد اما اگر کنده را به قطعه‌های کوچک بشکنیم زودتر آتش می‌گیرد. در این حال سطح بزرگ‌تر و بیشتری از چوب برای انجام واکنش سوختن در دسترس است و ذره‌های ریز چوب حتی هنگام سوختن، شکلی از انفجار را هم ایجاد می‌کنند.

شکر خام هنگام پالایش در کارخانه، آسیاب می‌شود و به‌صورت دانه‌های کوچکی در می‌آید. اندازه دانه‌ها 570 تا 635 میکرومتر، در حدود ضخامت یک ناخن است. اندازه ذره‌های شکر در شکل گَرد به m µ60 می‌رسد. برای مقداری ثابت و مشخص از ماده، هر چه آن ماده به ذره‌های کوچک‌تر خرد شود، تعداد ذره‌ها افزایش می‌یابد و سطح هر ذره محلی مناسب برای انجام واکنش شیمیایی را فراهم می‌کند. با افزایش سطح، تعداد برخوردها میان ذره‌های شکر با اکسیژن هوا افزایش می‌یابد. در برابر یک جرقه یا شعله، همه این برخوردها به واکنش سوختن می‌انجامد که با سرعت زیاد روی می‌دهد. گرمای زیادی که آزاد می‌شود به سرعت حجم گازهای تولید شده را افزایش می‌دهد و موجی ناگهانی شبیه انفجار را به وجود می‌آورد که باعث حرکت سریع هوا می‌شود.

شکل 3. هرچه یک ماده به قطعه‌ةای کوچک‌تر تقسیم شود، سطم بیشتری از آن برای انجام واکنش شیمیایی در دسارس قرار می‌گیرد. برای نومنه مساحت مکعبی به ضلع 600cm²، 10cm است. اگر این مکعب به 1000 مکعب کوچکتر به ضلع  1cm تقسیم شود، مساحت آن ده برابر مکعب اولیه خواهد بود:

دانشمندان ذره‌هایی در اندازه µm 500 را گرد و غبار می‌نامند. هنگامی که ذره‌های یک ماده چنین اندازه‌ای داشته باشند به راحتی می‌توانند منفجر شوند، به‌ویژه اگر در هوا پراکنده شده باشند. پس آتش گرفتن گرد و غبار باز هم دشوار است و تا زمانی که در هوا شناور نباشد حتی در حضور جرقه، منفجر نمی‌شود. در فرایندهای صنعتی، مانند خرد یا آسیاب کردن شکر، ذره‌های کوچک شناور در هوا می‌توانند باعث انفجار شوند مگر اینکه در یک سامانه تخلیه نگهداری شوند. از آنجا که تعداد این سامانه‌ها برای دور نگه‌داشتن گرد و غبار از هوا، در کارخانه امپریال کافی نبود با یک جرقه، انفجار آغاز شد و وجود گرد و غبار در فضای کارخانه، روی زمین و تجهیزات، به ادامه انفجار و گسترش ویرانی دامن زد.

تنها گرد و غبار مربوط به شکر نیست که می‌تواند باعث انفجار شود. گرد و غبار ناشی از سنگ، آرد، فلز، پلاستیک و چوب نیز در شرایط مناسب ـ که شامل تجمع این ذره‌ها در محیط بسته و وجود جرقه یا شعله است ـ می‌توانند منفجر شوند.

شکل 4. نمایش اثر سطح تماس در سرعت واکنش

شورای بررسی خطر یا ایمنی مواد شیمیایی در ایالات متحده² (CSB)، یک سازمان دولتی ایالتی که درباره حوادث شیمیایی صنعتی تحقیق می‌کند، در سال 2006 انفجار گرد و غبار را خطری جدی اعلام کرد. این سازمان ارائه استانداردهای ایمنی را برای همه منابعی که توانایی ایجاد انفجار گرد و غبار در محیط‌های صنعتی دارند پوشش می‌دهد و استانداردهایی برای جلوگیری از آسیب‌ در محل کار، بیماری و مرگ و میر ارائه می‌دهد. در اواخر سال 2009، CSB اعلام کرد در نظر دارد استانداردهای جدیدی درباره چگونگی کنترل مقدار گرد و غبار در محیط کار، از بین بردن منابع سوخت و کنترل آسیب‌های ناشی از انفجار تعیین کند.

در سایه این تلاش‌های جدید، انتظار می‌رود کارگاه‌هایی که حاوی گرد و غبار زیادی هستند، ایمن‌تر شوند. در همین حال همه مردم باید از خطر قدرت انفجاری گرد و غبار آگاه شوند. به این ترتیب برای جلوگیری از خطرآفرین شدن این مواد می‌توان به روش‌های مناسبی دست یافت.

پی‌نوشت‌ها

1. Imperial

2. Chemical Safety and Hazard Investigation Board

منبع

1. Tinnesand, M. «Sugar, an unusual explosive», Chemmatters, Dec. 2010.