قياس تركيز الأكسجين في الهواء بواسطة عملية احتراق بدون نار

التفسير

الهواء الذي نتنفسه ليس مادة نقية، وإنما هو عبارة عن خليط من الغازات يحتوي على نيتروجين وأكسجين وآرچون وثنائي أكسيد الكربون وغازات أخرى بكميات قليلة. بالنسبة لنا، بني البشر، وغالبية الكائنات الحية، الأكسجين هو الغاز الضروري للحياة. يستعمل الجسم الأكسجين (مع السكريات ومواد غذائية أخرى) لإنتاج الطاقة لسائر العمليات التي تجري في أجسامنا. تتجلى ضرورة الأكسجين في حقيقة أن فقدان الأكسجين لمدة قصيرة (عشرات الثواني) يؤدي إلى موت خلايا المخ وهذا يؤدي إلى موت الجسم بأكمله. الأكسجين هو مادة فعالة للغاية من الناحية الكيميائية، فهو يتفاعل مع آلاف المواد الأخرى.

عادة، عندما يتفاعل الأكسجين مع المواد الأخرى نحصل على نار، أي تحصل عملية احتراق. باستطاعة الأكسجين حرق الحديد - كما يمكن مشاهدة ذلك في إحدى تجاربنا السابقة: اشتعال الحديد في تجربتنا هذه، نستعمل الطريقة المعتدلة لتفاعل الاحتراق بين الحديد والأكسجين (بوجود الماء)، بحيث أنها تجري خلال بضعة أيام بدلاً من بضع ثوانٍ.

هذا التفاعل معروف للجميع في الحياة اليومية: إنه التفاعل الذي يؤدي إلى صدأ الحديد والذي (أي الصدأ) هو المادة الناتجة من تفاعل الحديد (Fe بلغة الكيميائيين) مع الأكسجين (O2) ومع الماء (H2O). من الناحية الكيميائية، التفاعل الذي يحدث عند تكوّن الصدأ ((Fe2O3.3H2O(S) هو:

2Fe(s) + 1.5O2(g) + 3H2O(l) -----> Fe2O3.3H2O(S)

أو بالكلمات: حديد + أكسجين + ماء --> صدأ

هذا التفاعل يصلُح لقياس تركيز الأكسجين في الهواء، إذ لا تنتج فيه غازات والمادة الناتجة الوحيدة هي الصدأ الصلب. في تفاعلات احتراق أخرى، كاحتراق الشمعة، ينتج غاز ثنائي أكسيد الكربون، وهذا يجعل الحسابات أكثر صعوبة؛ لأن أحد الغازات يتم استهلاكه في عملية الاحتراق، وهو الأكسجين، وينطلق غاز آخر، وهو ثنائي أكسيد الكربون. أضف الى ذلك أنّنا في عمليتنا هذه لا تنطلق كمية كبيرة من الحرارة خلال وقت قصير كما يحدث في تفاعلات الاحتراق العادية، ولذلك لا ينتج هواء ساخن يبرد فيتغير حجمه، ويصبح إجراء الحسابات لقياس تركيز الأكسجين غير ممكن عمليًا.
 

يؤدي حصول عملية التصدؤ إلى انخفاض كمية الأكسجين بشكل تدريجي داخل الكأس (لأنه يتحول مع الحديد والماء إلى صدأ) فينخفض ضغط الغاز ويصبح أقل من الضغط الخارجي (أي الضغط خارج الكأس)؛ لأن جزءًا من الغازات التي كانت داخل الكأس ببساطة اختفت. في هذه المرحلة يؤثر على الماء الذي تغطيه الكأس - الضغط الجوي الخارجي والضغط المنخفض للهواء داخل الكأس. وبما أن الضغط الخارجي أكبر من الضغط الداخلي، فإنه، أي الضغط الخارجي، يدفع بالماء أو السائل إلى داخل الكأس - فتمتلئ بالسوائل. وإذا أردنا التدقيق علميا، نقول إن الماء يندفع إلى داخل الكأس وليس أن الماء يتم امتصاصه إلى داخلها.  

لمساواة الضغوط يحل الماء محل الأكسجين الذي تم استهلاكه للتفاعل فيملأ تماماً الحجم الذي نقص من الهواء، ولذلك يمكننا معرفة كمية الأكسجين التي كانت داخل الكأس بدقة متناهية بواسطة قياس ارتفاع عمود الماء الذي تكوّن في الكأس في نهاية العملية، ومنها نحسب بسهولة تركيز الأكسجين في الهواء.

من الممكن محاولة قياس تركيز الأكسجين في أماكن مختلفة: مثل طابق تحت الأرض عديم النوافذ ولم تتم تهوئته لمدة طويلة، لنرى هل تركيز الأكسجين فيه أقل من الأماكن العادية.