الاحتراق Combustion

يعد تفاعل الألكانات مع الأكسجين المؤدي الى ثنائي أكسيد الكربون والماء والطاقة (هي الأكثر أهمية بين الجميع) التفاعل الرئيس الذي يحدث في محركات الاحتراق الداخلي؛ وأهميته العملية الواسعة، غنية عن التعريف.

لم تفهم كلياً حتى الآن ميكانيكية هذا التفاعل الشديدة التعقيد. وليس هناك شك أنها تفاعل سلسلي لجذور حرة، إن التفاعل ناشر للحرارة بشدة، ويتطلب حدوثه حرارة عميكانيكية مثل الحرارة الناتجة عن اللهب من أجل ابتدئاه. وكما في حالة الكلور فإنه يلزم قدر كبير من الطاقة لتحطيم الرابطة التي تؤدي الى توليد الدقائق الفعالة، ومتى أمكن اجتياز حاجز الطاقة هذا، فإن سلسلة المراحل التميكانيكية تحدث مباشرة مع انطلاق الطاقة.

لقد جعل الضغط العالي، محركات الغازولين الحديثة أكثر فعميكانيكية من سابقاتها الأولى، غير أنه خلق في الوقت نفسه مشكلة جديدة. ففي شروط معينة تحل عملية (الدق) في المحركات الانفجارية بدلاً من عملية الاحتراق المنتظم لمزيج الهواء – غازولين، وهذا ما يخفض بشدة قوة المحرك.

جرت مواجهة مسألة (الدق Knocking) بنجاح بطريقتين عامتين:

• أن تكون الهيدروكربونات المعدة للاستخدام وقوداً نقياً جداً.
• أن يضاف رباعي إتيل الرصاص.

أظهرت التجارب على مركبات نقية أن الهيدروكربونات مختلفة البنية تختلف كثيراً في ميلها لعملية (الدق). ويعبر بشكل عام عن ميل المحروقات المضاد للدق (برقم الأوكتان octane number).

وضع سُلم اصطلاحي للدق فيه نظامي الهبتان، الذي يدق سيئاً، رقم الأوكتان صفر، في حين أعطي 4،2،2- ثلاثي متيل البنتان (إيزو الأوكتان) رقم الأوكتان (100). وهناك اليوم محروقات ذات صفات مضادة للدق أكثر من (إيزو الأوكتان).

يجري تحسين أجزاء الغازولين الناتجة من التقطير المباشر للنفط، بإضافة مركبات ذات رقم أوكتان عالي؛ ويستعاض عنها بعض الأحيان كلياً بهذه المحروقات الأكثر جودة. تملك، عموماً، سلاسل الألكانات المتفرعة، والألكانات، والهيدروكربونات العطرية، صفات مضادة للدق ممتازة، وتنتج هذه المركبات من الهيدروكربونات النفطية عبر عملية التكسير الحفزي  وعبر عملية الإصلاح الحفزي . وقد حضرت ألكانات متفرعة عليا بألكلة الألكنات والألكانات.

في عام 1922 وجد ت. س. ميدغلي الابن وت. أ. بويد. (مخبر البحث في شركة جنرال موتورز) أن رقم أوكتان المحروقات يمكن أن يُحسن بشكل عظيم بإضافة كمية قليلة من رباعي إثيل الرصاص [(C₂H₅)₄Pb]. ويسمى الغازولين المعالج بهذه الطريقة (الغازولين الرصاصي أو الغازولين المرصص). وأظهرت خمسون سنة، تقريباً من البحث أخيراً أن رباعي إتيل الرصاص يحتمل أن يعمل عبر إنتاج دقائق صغيرة جداً من أكاسيد الرصاص، وتتحطم على سطحها بعض سلاسل التفاعل.

تطلق محركات الغازولين في الجو، إضافة الى ثنائي أكسيد الكربون والماء، مركبات إما منتجة للدخان أو ذات سمية، وهي هيدروكربونات غير محترقة وأحادي أكسيد الكربون وأكاسيد النتروجين، ومركبات رصاصية مختلفة من الغازولين الرصاصي (في الولايات المتحدة تطرح مئات الأطنان كل يوم). يؤدي فعل إشعاع الشمس في السحابة الدخانية الى انتاج الأوزون الذي يولد الحساسية، ويقتل، بعض الأحيان. (وهذا الأوزون ليس ذلك الذي يتشكل في الغلاف الجوي درع الآوزون). وقد أدى النمو السكاني المعني بهذه الملوثات، الى احداث ثورة مصغرة في صناعة النفط والسيارات.

لقد طورت محولات لتنظيف مخلفات العوادم، بعض منها يقوم بالأكسدة الحفزية للهيدروكربونات ولأحادي أكسيد الكربون، وبعضها يعمل على تحطيم أكاسيد النتروجين الى نتروجين وأكسجين. إلا أن أغلب حفازات الأكسدة هذه تحوي البلاتين، الذي يتسمم بالرصاص؛ لذلك كان هناك توجيه لنزع الرصاص خارج الغازولين – ليس، أساساً، لوقف التلوث بالرصاص، ولكن للسماح للمحولات كي تعمل. لقد أعاد هذا، بدوره، الى دائرة الاهتمام مشكلة (الدق) التي تواجه بأسلوبين اثنين:

• عن طريق خفض معدل الضغط لمحركات السيارات الجديدة التصميم.
• عن طريق زيادة رقم الأوكتان للغازولين عبر تغيير تركيب الهيدروكربونات بإضافة مركبات عطرية وزيادة استعمال عمليات التمكيب (الايزومرية).