الصناعات الكيميائية وطرق فصل المواد

 الصناعات الكيميائية
 صناعة بعض المواد الكيميائية
أولاً : الأسمدة

تتكون الأسمدة من عناصر كيميائية ضرورية لنمو النبات، وتضاف إلى التربة لتعوضها عن تلك العناصر بسبب افتقارها لها اصلاً، أو بسبب استهلاك تلك العناصر نتيجة زراعة المحاصيل المتلاحقة، أما العناصر الأساسية التي يحتاج إليها النبات بكميات كبيرة، فهي النتروجين، الفسفور، البوتاسيوم، والعناصر الثانوية التي يحتاج إليها النبات بكميات قليلة هي : الكبريت، الكالسيوم، المغنيسيوم، وبكميات أقل البورون والنحاس، والمنغنيز والخارصين وهي ضرورية لبعض أنواع من الفواكه والخضراوات ,

وتتميز الأسمدة باحتوائها على عناصر ضرورية للنبات، مثل : عناصر النتروجين والفسفور والبوتاسيوم، وتحسب في الأسمدة النتروجينية على أساس نسبة كتلة عنصر النتروجين في ذلك السماد . وفي الأسمدة الفسفاتية على أساس نسبة كتلة أكسيد الفسفور فيها، وفي الأسمدة البوتاسية على أساس نسبة كتلة أكسيد البوتاسيوم



ثانياَ : أنواع الأسمدة
تقسم الأسمدة إلى نوعين:
1- الأسمدة الطبيعية

ينتج السماد الطبيعي من فضلات وبقايا الحيوانات والنباتات، وعندما تتحلل هذه المواد في التربة، تساعد النبات على النحو .

وتحتوي بقايا النباتات على عناصر النتروجين والفسفور والبوتاسيوم، إلا أن نسبة الفسفور فيها قليلة ، مما يضطر المزراعين إلى استخدام أسمدة صناعية مثل سماد (سوبرفسفات) الذي يتحد الامونيا التي تنتج من تحلل السماد، فتقلل من الدائمة وتمنع فقدان الأمونيا التي تعد سماداً جيداً للنبات، ويحتوي زرق الطيور على نسبة عالية من العناصر الكبرى مقارنة بروث الحيوانات وذلك لأن الطيور تتناول الحبوب بكميات كبيرة وهي عبارة عن بروتينات التي يدروها تحتوي على نتروجين بنسبة عالية .
2- الأسمدة الكيميائية
وتقسم إلى نوعين"
أ- الأسمدة البسيطة:

- أسمدة بوتاسية - أسمدة فسفاتية – أسمدة نتروجينة

أن السماد يصل إلى أجزاء النبات المختلفة بواسطة عملية الامتصاص.



ب- الأسمدة المركبة:

السماد المركب : يحتوي عادة على عنصرين أو أكثر من العناصر الرئيسة (N-P-K) فالأرقام التي تكتب على كيس السماد مثل (6-12-3) والتي تقابل (N-P-K) على الترتيب من اليمين إلى اليسار تعنى أن هذا النوع من السماد يحتوي على 6% كتلة من البوتاسيوم على شكل أملاح بوتاسيوم، و 12% كتلة الفسفور على شكل مركب فسفات و 3% نتروجين على شكل مركب نتروجين ، وتختلف هذه الأرقام من سماد إلى آخر .



ثالثاَ: مركبات الكلور

الكلور غاز لونه أخضر باهت أثقل من الهواء، وله رائحة نفاذة ، يؤذي الإنسان والحيوان والنبات. حتى لو كان بتراكيز قليلة . وهو لا يوجد حراً في الطبيعة نظراً لنشاطه الكيميائي الناجم عن وجود سبع الكترونات في مداره الأخير ، ويوجد غالباً في الطبيعة متحداً مع عنصر الصوديوم كما في مركب (كلوريد الصوديوم) أو مركب كلوريد البوتاسيوم الذي يتم استخلاصه من مياه البحر الميت .

الكلور غاز يذوب قليلاً في الماء، ويسمى الناتج ماء الكلور ويحتوي على مزيج من حمض الهيدروكلوريك وحمض الكلور

وإذا ترك ماء الكلور في ضوء الشمس فإن حمض الكلور يتحلل ببطء وينتج الأكسجين وحمض الهيدوركلوريك

ولذا فإن حمض الكلور يمكن أن يكون عاملاً مؤكسداً وقاصراً للألوان ومن أهم مجالات استعمالات الكلور ما يلي :

- التعقيم

- صناعة البلاستيك

- المذيبات

- تركيب عدد كبير من المركبات ومن اشهرها ملح الطعام (كلوريد الصوديوم)



طرق فصل المواد

تعتمد طرائق الفصل المستخدمة في مختلف المجالات الدوائية والصناعية وغيرها على اختلاف مكونات الأمزجة والمحاليل ,
فلا يمكن استخدام نفس طرائق الفصل عندما يراد فصل الرمل عن الحصى أو عند فصل الملح عن الماء النقي ..

تتضمن طرائق الفصل عدة أنواع منها :

الترشيح : Filtration
يعتبر من أفضل الطرق المستخدمة لفصل المواد ذات الجزيئات المختلفة في الأحجام
سواءً كانت على شكل حبيبيات معلقة ضمن سائل أو على شكل خليط من مكونات صلبة مختلفة في أحجام حبيباتها .

الكروماتوغرافيا ( التفريق اللوني Chromatography) :
وتستخدم لفصل مزيج من سوائل معتمدة بشكل أساسي على اختلافها في الخواص الفيزيائية مثل القطبية واختلاف احجام مكوناتها أو ألفتها تجاه بعض المركبات ,
لها العديد من الأنواع مثل كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة TLC وكروماتوغرافيا العمود والكروماتوغرافيا الغازية .

الاستخلاص Extraction :
تعتمد بشكل أساسي على فصل المواد المختلفة في انحلاليتها في المحاليل العضوية الغير قابلة للامتزاج ,
كما ان درجة الحموضة يمكن أن تلعب دوراً هاماً في هذه الطريقة
حيث انها تؤثر في درجة تشرد المواد وبالتالي اختلاف قابليتها للانحلال وللانتقال من محل لآخر .

التثفيل centrifugation :
هو عملية فيزيائية تعتمد على تطبيق مبدأ القوة النابذة force centrifuge الناتجة من فعل الدوران المتسارع،
الغاية منه فصل مزيج من المواد السائلة أو الغازية ذات الكثافة المتباينة،
أو فصل الجزيئات أو القطيرات أو العناصر المعلقة في سائل.


التقطير : Distillation
يعتمد مبدأ التقطير على فصل السوائل ذات درجات الغليان المتفاوتة ,
تستخدم هذه الطريقة في فصل الكحول عن الماء ,
كما أن التقطير يستخدم في استخراج النفط من باطن الأرض وتحويله إلى منتجات بترولية .


التقطير تقنية هدفها فصل مواد كيميائية عن بعضها البعض اعتمادا على اختلاف درجة غليانها فنحصل على قطارة من جهة وحثالة من جهة أخرى.
تتمثل عملية التقطير المائي في تبخير خليط غير متجانس مكون من الماء ومادة طبيعية يليه تكثيف البخار بتبريده للحصول على نكهات أو روح عطر.
والتقطير أنواع ويستخدم في تكرير النفط و صناعة الدواء و صناعة البتروكيماويات و تحلية المياه وغيرها

- التقطير البسيط

كما أسلفنا سابقاً بأنه عملية تسخين السائل حتى يغلي مع المحافظة على الابخرة الساخنة النقية الناتجة لتبريدها
وجمع الأبخرة المكثفة ويتم ذلك عادة باستخدام جهاز تقطير عادي .عملية التقطير البسيط: هي عملية فصل مادة سائلة عن شوائب ممتزجة معها باستخدام عمليتين متتابعتين هما : عملية التبخير ، و عملية التكاثف.



اذا تكون لدينا محلول من مذيب ومذاب وكان المذاب أصلا مادة صلبة ، فيمكن الاعتماد على عملية التقطير التي يتم فيها تبخر المذيب وتكاثفه المادة الصلبة في دورق الغليان.

ويستخدم في ذلك مكثف كما تراه في الشكل . في هذا المكثف يمرر الماء البارد بشكل مستمر حول الأنبوب الذي يمر منه البخار ،الأمر الذي يساعد على عملية التكثيف ويوضع في دورق التقطير حبيبات لتنظيم عملية الغليان .




يستخدم في حال اختلاف درجات غليان مكونات المزيج اختلافاً واضحاً .

: لماذا سمي المكثف جهاز التقطير بهذا الاسم

الحل : يتم يداخله عملية التكاثف حيث يمر الماء البارد

مما يسمح بالبخار بالتكاثف كما في الشكل السابق

أما في حال كانت درجات غليان المكونات متقاربة أو أن السوائل المكونة للمزيج تمتزج مع بعضها بكل النسب فنلجأ عادة إلى ما يسمى بـ ( التقطير المجزأ )
يتكون الجهاز المستخدم في التقطير المجزأ عادة من عمود فصل ذو سطح داخلي كبير يتكون من صفائح أو نتوءات داخلية أو أن يكون العمود مملوءاً بكرات زجاجية لتؤمن سطحاً كبيراً وذلك من أجل الحصول على توازن بين البخار الصاعد والسائل النازل مما سيؤدي لحدوث " تبادل حراري " أكبر وبالتالي فصل المكونين المتقاربين في درجات غليانهما .


التقطير التجزيئي
هي عملية يتم من خلالها فصل مكونات خليط مُعين (سائلين عن بعضهمات البعض ،النفط مثلاً )
وهي تعتمد على الاختلاف في درجة غليان المواد المكونة للخليط
وعندما نقوم بتسخين الخليط يتبخر أقل المكونات درجة غليان (عندما تصل درجة حرارة الخليط إلى درجة غليانه) ويرتفع على شكل غاز إلى أعلى
ثم نقوم بتبريد هذا الغاز فنحصل على المادة التي نريدها (نقية) .. وهكذا بالنسبة لبقة المواد المكونة للخليط ..
ويسمى التقطير التجزيئي (Fractional distillation)أيضًا التقطير التفريقي، يفصل فيه مزيج السوائل، الذي يغلي بدرجات حرارة مختلفة. فمثلاً، الكحول الإثيلي يغلي عند درجة 78°م، ويغلي الماء عند درجة 1008°م. وعند تسخين مزيج منهما يتبخر الكحول أسرع من الماء ويتبخر الماء أسرع بقليل من نقطة غليان الكحول. وتحتوي المادة المقطرة من مزيج الكحول والماء على قليل من الماء، والمادة المقطرة المجمعة أولاً يكون فيها كمية كبيرة من الكحول أكثر من الكميات المتكثفة فيما بعد. وهكذا تزاح المادة المقطرة أولاً قبل تكثف الماء المقطر. وبالطريقة نفسها، يتم جمع المادة المقطرة المتبقية بالتجزيء، ويمكن أن يعاد تقطيرها لأجل نتاج نقي. ويستعمل التقطير التجزيئي في صنع المشروبات المقطرة.

استخلاص الغازات من الهواء
هل يمكن فصل غازي النتروجين والأكسجين عن بقية مكونات الهواء ؟ برأيك ما الطريقة الأنسب لفصل مكونات الهواء ؟
تستخدم طريقة التقطير التجزيئي لفصل مكونات الهواء.ولا بد من تحويل الهواء الغاز إلى هواء مسال بالضغط والتبريد والتمدد المتكرر-
لكل غاز درجة (غليان لسائله) سيولة يصبح سائلاً اذا برد إليها فمثلا النيتروجين يسال عند -196 درجة من الهواء الجوي فالغازات التي لها درجة سيولة اكبر من النيتروجين تبقى على حالتها الغازية فيسال النيتروجين و بعض الشوائب التي لها درجة غليان اكبر منه و من ثم يفصل عن الشوائب بطرق مختلفة .
ومن هذه الطرق ان يتم التقطير التجزيئي للهواء او امراره على مادة تتفاعل مع الشوائب فقط اوتذوب فيها الشوائب.
يتم استخلاص غاز الأوكسجين في الصناعة بطريقة التقطير التجزيئي للهواء المسال ، عن طريق برج خاص بذلك ، حيث تبلغ درجة غليان الأكسجين -138 درجة مئوية ، أعلى من درجة غليان النتروجين ( -196س).
استخلاص البوتاس من البحر الميت

كلوريد البوتاسيوم (KCl) المسمى البوتاس يستخرج من البحر الميت، ويعد المصدر الرئيس في صناعة الأسمدة؛ لسهولة استخلاصه وارتفاع نسبة البوتاسيوم فيه. ومن المركبات التي تصنع من البوتاس وتستخدم كأسمدة خاصة للنباتات التي لا يناسبها كلوريد البوتاسيوم، مادة كبريتات البوتاسيوم( K₂SO₄). وتحتوي مياه البحر لميت بالإضافة إلى الأملاح الأخرى على ما يقارب 1.03% من كتلتها كلوريد البوتاسيوم (KCl)، الذي يتم ترسيبه من مياه البحر الميت في ملاحات خاصة وبعد ذلك يجمع وينقل إلى المصنع حيث تتم معالجته. واستخلاص مادة البوتاس منه. وتعتمد عملية الاستخلاص هذه على المبادئ التي تحكم عمليتي الذوبان والتبلور.

كيف يتم استخلاص الملح من ماء البحر؟





التبخير :

هي عملية تحول السائل إلى الحالة الغازية ( بخار ) ببطء وهي بعكس تحول السائل إلى غاز بسرعة التي تسمى بالغليان. يتميّز الماء بدرجة غليان عالية بالنسبة لدرجة حرارة مناخ الأرض , لذا إن معظم الكتل المائية على وجه الأرض معرضة للتبخر طالما تمتص المواد الطاقة الحرارية من الشمس إلا أن هذه العملية بطيئة جدا.





إن استخلاص الملح من مياه البحر طريقة قديمة جداحيث تحفر برك ضحلة متصلة بالبحر بقنوات قصيرة. ذات مساحات عريضة وعمق قليل وحجم مناسب من الماء يمكنه أن يمتص كميات كبيرة من أشعة الشمس. يتم ملأ الأحواض ثم تغلق القنوات. لتعمل الشمس على تبخير الماء. يتطاير الماء تاركا خلفه الملح وجاعلا الماء المتبقي أكثر ملوحة. وفي النهاية, وبعدما تتبخر الكميات الكافية من الماء يترك خلفه طبقة من بلورات ملح البحر التي يمكن جمعها.
أما الطريقة الحديثة في عملية استخراج ملح البحرتتكّون بشكل نموذجي عدد من هذه البرك متركزة في موقع محدد ومفصولة عن بعضها البعض بسدود. إن من العوامل المهمة جدا التي يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار في مثل هذه العملية هي مراعاة الزمن. فسقوط الامطار في غير أوانه يمكن أن يدمّر حصاد أيام من التبخير. لذا في بعض أماكن التبخير يصمم باب داخلي ضخم للبرك يسمى pans, حتى يحمي من تقلبات الجو.

مع تحيات : المعلم مصطفى دعمس

التقطير

التقطير البسيط Simple Distillation


عملية فصل المكونات وتتضمن مرحلتين وكلاهما تغيرات فيزيائية
• يتم تسخين المحلول أو السائل حتى يغلي وتتصاعد كل المكونات المتطايرة التي يحتويها الحلول على شكل غاز. ويتم وضع حبيبات من الحجر الصيني حتى تجعل من عملية الغليان أهدأ.
• يتم تبريد البخار بالماء البارد في المكثف ليحوله مرة أخرى إلى غاز الذي سيتم جمعه في النهاية.
تستخدم هذه العملية لتنقية الماء لأن المواد الصلبة التي تكون ذائبة في الماء عادة ما يكون لها درجة غليان كبيرة جدا بالنسبة للماء, وبالتالي لن تتصاعد كبخار مع بخار الماء وتبقي في الاناء. كما ويمكن فصل الكحول من هريس الذرة المتخمرة بتسخين الهريس لتبخير الكحول. ثم يتم جمع البخار وامراره عبر لولب من أنابيب النحاس, حيث يتم تبريده وتكثيفه كسائل مرة أخرى.

التقطير التجزيئي Fractional Distillation

وتتضمن مرحلتين كلاهما تغيرات فيزيائية. وتستخدم فقط عند فصل السوائل التي تمتلك درجات غليان مختلفة. وتعمل أيضا مع المحاليل التي تمتزج مع بعضها البعض كالكحول /الماء ومكونات النفط الخام إنما لا تناسب الحالات التي تكون فيها السوائل كطبقات مثل االماء والزيت
• يتم تسخين المحلول أو السائل حتى يغلي وتتصاعد كل المكونات المتطايرة التي يحتويها الحلول على شكل غاز. ويتم وضع حبيبات من الحجر الصيني حتى تجعل من عملية الغليان أهدأ.
• يتم امرار البخار الناتج عبر عمود التجزئة حيث تتم عملية الفصل في نهاية التقطير التجزيئي.
تستخدم هذه الطريقة لفصل مشتقات النفط الخام لأنها تمتلك درجات غليان وتكثيف مختلفة.


نظرية العلمية للتقطير التجزيئي

لنتخيل بأنه لدينا مخلوط من سائلين. درجة غليان السائل الأزرق هي 80 ْ س بينما السائل الأصفر درجة غليانه 100 ْ س . وهكذا قمنا بالتعبير عن كل من الكحول والماء بسوائل ملونة .
يدخل خليط البخار الناتج من غليان المخلوط في عمود التجزئة وتبدأ تبرد وتتكثّف . فالسائل الذي يمتلك درجة غليان عالية وأقل تطايرا ستميل لأن تتكثف أولا وهو هنا السائل الاصفر الذي يمثل الماء. أما السائل الذي يمتلك درجة غليان منخفضة وأكثر تطايرا سيصعد إلى أعلى عمود التجزئة .
وتدريجيا سينفصل الغازان عن بعضهما البعض . فيتكثف السائل الاصفر ويعود مرة أخرى إلى الدورق بينما يترشح السائل الازرق النقي ويتم جمعه.
في حالة تقطير النفط الخام ستتكثف المشتقات بشكل تجزيئي عند نقاط مختلفة في عمود التجزئة الضخم. وفي قمته سيكون هناك الغازات ذات درجات الغليان المنخفضة مثل البيوتان اما في أسفل العمور سيكون هناك المركبات ذات درجات الغليان العالية مثل الشمع والقطران.