للتفاعلات في الكيمياء (والفيزياء) أنواعٌ وأشكالٌ كثيرةٌ. منها ما يُنتج الحرارة ومنها ما يُنتِج مركباتً جديدةً ومنها ما يُحدِث انفجارات. كما أنّ التفاعلات الكيميائية تحدث إما بسرعةٍ هائلةٍ أو بشكلٍ بطيءٍ وهذا يعتمد على نوعية المركبات الداخلة في التفاعل. هناك تصنيف آخر للتفاعلات اعتمادًا على ترتيب حدوثها وهذا ما يقودنا إلى “التفاعل المتسلسل”.

يُشار بالتفاعلات المتسلسلة إلى التفاعلات التي تنتجُ موادًا تستخدم كمدخلاتٍ في تفاعلٍ آخر. هذا الانتقال لمنتجات التفاعل فيما بينها يحول دون التأثر بالعوامل الخارجية. بعبارةٍ أخرى، تحدث شبكة التفاعل المتسلسل تحت تأثيرٍ خارجيٍّ قليلٍ أو معدوم. عادة ما يتم بدء هذه التفاعلات بتفاعلٍ واحدٍ يعدُّ شارة البداية لسلسلة التفاعلات. تستمر سلسلة التفاعلات حتى تستقر مكونات النظام المتفاعل ككل. وبالتالي يمكن تحديد التفاعل الكيميائي المتسلسل بثلاثة خطواتٍ وهي بالترتيب:

  1. البداية: أي الشروع في تنفيذ التفاعل. تتضمن هذه المرحلة توفر وسيطٍ للتفاعل (ذرة، أيونات، جزيئات محايدة) كالضوء أو الحرارة.
  2. الانتشار: تتضمن هذه المرحلة تفاعل الوسيط مع المواد المتفاعلة وإنتاج مركباتٍ جديدةٍ من نوعٍ مختلفٍ أو من نفس نوع المنتجات الداخلة في التفاعل ومن ثم يعود تأثير الوسيط على المنتجات الجديدة لتعود وتتفاعل وتتكرر هذه العملية وبهذا تنتقل منتجات التفاعل الى بقية السلسلة.
  3. النهاية: هنا يصل النظام إلى حالةٍ من الاستقرار بعد عدة تفاعلاتٍ تُستَهلك بموجبها المواد المتفاعلة.

أبسط الأمثلة على التفاعل المتسلسل هو اشتعال الشمعة. عند توفر كمياتٍ كافيةٍ من الأكسجين والحرارة ومادة الاشتعال فإن الاشتعال سيدوم إلى أن تصبح كمية أحد هذه المكونات الثلاثة غير كافيةٍ لاستمرار السلسلة. في بعض الأحيان تتسارع وتيرة سلسلة التفاعل بشكلٍ هائلٍ ويحدث التفاعل بسرعةٍ تصل إلى 1000/1 جزءٍ من الثانية وهذا ما يسمى ب” الانفجار الكيميائي”.

في المثال التالي تتوضح مراحل التفاعل المتسلسل:

التفاعل المتسلسل

يسمى التفاعل السابق ب “التفاعل الكيميائي الضوئي” حيث تتفاعل الفوتونات الضوئية مع الكلور الذي يتحلل إلى ذرتين (مرحلة بداية التفاعل المتسلسل). بعد ذلك تدخل ذرتي الكلور سلسلة من التفاعلات (مرحلة الانتشار) تنتهي بتشكل جذر HO2 الذي لا يتفاعل إلا في ظروف درجات الحرارة العالية وبالتالي تتوقف سلسلة التفاعل (مرحلة النهاية). معدل التفاعل التسلسلي حساسٌ جدًا لسرعة البدء والانتهاء ويعتمد على نسبة الشوائب الكيميائية وجدران الوعاء المستخدم في التفاعل وشكله وحجمه.

هناك تفاعلٌ آخرٌ على التفاعلات المتسلسلة وهو التفاعلات النووية. في عام 1933 اقُترِحت التفاعلات النووية من قبل العالم الفيزيائي الهنغاري” Leo Szilard ” وذلك بعد فترةٍ وجيزةٍ من اكتشاف النيوترون وهذا قبل اكتشاف الانشطار النووي بما يزيد على 5 سنوات. أمضى Szilard وقتًا طويلًافي قراءة معلوماتٍ عن التفاعلات النووية المنتجة للطاقة والتي تضمنت قذف نترونات وتحرير طاقةٍ كبيرةٍ وهذا ما بيّنه جون كوكروفت John Cockcroft (فيزيائيٌّ بريطاني) وإيرنست والتون (فيزيائيٌّ أيرلندي) Ernest Walton

لاحقًا، وبعد اكتشاف الانشطار عام 1938 تبين ل Szilard إمكانية استخدام الانشطار (الذي ينتج عنه نترون) كتفاعلٍ أساسيٍّ لانتشار التفاعل الأساسي. وبهذا تولدت سلسلة التفاعل النووي بواسطة الانشطار.

أخيرًا إن التفاعلات المتسلسلة تنقسم إلى نوعين أساسيين هما:

  • التفاعل المتسلسل الخاضع للسيطرة: وهي تلك التفاعلات التي تحدث تحت ظروفٍ منظمةٍ وشروطٍ محكمةٍ ومنها التفاعلات النووية.
  • التفاعلات المتسلسلة الغير خاضعة للسيطرة: وهي التفاعلات النووية التي تحدث في ظروفٍ خارجةٍ عن السيطرة والتحكم ويمكن أن تنتج انفجاراتً شديدةً وتشكل خطرًا على المنشآت النووية.

أكمل القراءة

يُعرَف التفاعل المتسلسل في الفيزياء على أنه تفاعل استدامة ذاتية يتم فيه انشطار النوى بشكل ذاتي حيث تنتشر النيوترونات الناتجة عن عملية الانشطار ويبدأ بتحريض انشطار للذرات الأخرى، مثل التفاعل الحاصل في المفاعلات النووية والقنابل، أمّا كيميائيًا: فيعرف بأنه رد فعل ينتج عنه مواد ضرورية لاستمرار التفاعل الحاصل.

وبلغة أبسط؛ يمكننا القول بأن التفاعل المتسلسل هو عبارة عن سلسلة من الأحداث يكون فيها كل حدث ناتج عن التفاعل الأسبق له، ويتسبب في حدوث التفاعل التالي دون تأثير خارجي.

خطوات التفاعل المتسلسل:

ساهم الكيميائي الألماني ماكس بودنشتاين في اكتشاف التفاعلات المتسلسلة في عام 1913 في إشارة منه إلى التفاعلات الكيميائية، ويمكن تلخيص مراحل هذا التفاعل بالخطوات التالية:

  • مرحلة البداية: يتم في هذه المرحلة تشكيل الجسيمات النشطة التي تعمل كفتيل للتفاعل.
  • مرحلة التكاثر: في هذه المرحلة تتفاعل الجسيمات النشطة مع بعضها البعض وتشكل محفزات لإدامة دورة التفاعل.
  • مرحلة الانتهاء: عند فقدان الجسيمات النشطة لنشاطها، تكون هذه بداية نهاية التفاعل، حيث تتباطأ الذرات حتى النهاية.

كمثال بسيط على التفاعل المتسلسل هو تفاعل غاز الهيدروجين مع غاز الأكسجين لتكوين الماء، في هذا التفاعل الكيميائي يتم تبديل ذرات الهيدروجين بذرات أخرى بالإضافة إلى جذري OH، وقد يترافق مع هذا التفاعل حدوث انفجارات بسيطة، وبحسبة بسيطة إذا قام كل نيوترون بإطلاق نيوترونين جديدين، فإن عدد الانشطارات سيتضاعف في كل جيل، وفي هذه الحالة، سينتج في 10 أجيال 1024 انشطار، وفي 80 جيلًا حوالي 6 × 10 23 انشطار.

التفاعل المتسلسل

تعتبر التفاعلات النووية أحد أشهر تفاعلات التسلسل، وهي تفاعلات مهمة جدًا للمحطات النووية من أجل توليد الطاقة الكهربائية، يسمى العنصر النشط الرئيسي فيها باسم النظير الثقيل مثل اليورانيوم U235، وهو عنصر مشع يمثل حوالي 0.7% فقط من اليورانيوم المتواجد في الطبيعة الأم وهذا مايجعله نادرًا جدًا.

يتم تخصيب اليورانيوم لجعله مناسبًا للاستخدام كوقود في مفاعلات الطاقة النووية، وذلك بجعله يحتوي على 5% من اليورانيوم 235، ويتميز هذا العنصر النادر باحتوائه على 92 بروتون و143 نيوترون (تمتلك النظائر الأخرى لليورانيوم نفس عدد البروتونات لكنها تختلف في عدد النيوترونات).

تتفكك ذرات اليورانيوم 235 إلى ذرات أصغر وتقوم بإطلاق طاقة بالإضافة لبعض من نيوتروناتها، وهذه العملية تكون بطيئة جدًا في الطبيعة، إذ يحتاج القليل من U235 إلى حوالي 700 مليون سنة لتكوين نصف العدد المستخدم، وستزول الطاقة المنبعثة إلى البيئة بشكل بطيء جدًا بحيث أنك لن تلاحظها وستقوم الذرات الأخرى بامتصاص النيوترونات الإضافية.

ومن أجل تجنب هذا الهدر  قام العلماء بإحضار اليورانيوم الى مختبراتهم وتفكيك كل ذرة على حدة بسرعات كبيرة جدًا تكون هذه السرعات هي المصدر الرئيسي للحرارة الناتجة عن المفاعل، حيث تُستخدم هذه الحرارة الناتجة عن التفاعل في تكوين البخار الذي يشغِّل العنفات المتخصصة في تشغيل المولد الكهربائي، كما أصبح العلماء اليوم قادرين على التحكم بكمية اليورانيوم المتفكك في كل ثانية وبالتالي التحكم بكمية الطاقة المنبعثة.

يتم حفظ المواد المشعة في مضغوطات يبلغ طولها ثلاث أرباع بوصة وعرضها نصف بوصة، يتم تكديسها ضمن قضبان معدنية محكمة الإغلاق مصنوعة من مواد خاصة تسمى “قضبان الوقود” يبلغ طولها عدة أقدام بحيث يستوعب كل قضيب عمود واحد من هذه المضغوطات.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هو التفاعل المتسلسل"؟