مادة مانعة للصدمات

في الولايات المتحدة، حيث كان يُخلط رباعي إيثيل الرصاص مع البنزين (بشكل أساسي لرفع مستوى الأوكتان) منذ أوائل عشرينيات القرن الماضي، طُبقت معايير التخلص التدريجي من البنزين المحتوي على الرصاص لأول مرة عام ١٩٧٣. في عام ١٩٩٥، لم تتجاوز مبيعات البنزين المحتوي على الرصاص ٠.٦٪ من إجمالي مبيعات البنزين، وأقل من ٢٠٠٠ طن من الرصاص سنويًا. اعتبارًا من ١ يناير ١٩٩٦، حظر قانون الهواء النظيف بيع البنزين المحتوي على الرصاص للاستخدام في المركبات على الطرق في الولايات المتحدة. يُعاقب الآن على حيازة واستخدام البنزين المحتوي على الرصاص في مركبة عادية على الطرق بغرامة قصوى قدرها ١٠٠٠٠ دولار أمريكي في الولايات المتحدة. مع ذلك، لا يزال يُسمح ببيع الوقود المحتوي على الرصاص للاستخدامات غير المخصصة للطرق، بما في ذلك الطائرات وسيارات السباق والمعدات الزراعية ومحركات السفن. وقد أدى حظر البنزين المحتوي على الرصاص إلى انخفاض انبعاثات الرصاص في الهواء من السيارات بآلاف الأطنان.

وقد أدت عمليات الحظر المماثلة في دول أخرى إلى انخفاض حاد في مستويات الرصاص في دم الناس . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

كان من الآثار الجانبية لإضافات الرصاص حماية مقاعد الصمامات من التآكل. وقد احتاجت محركات العديد من السيارات الكلاسيكية إلى تعديلات لاستخدام وقود خالٍ من الرصاص منذ أن أصبح الوقود المحتوي على الرصاص غير متوفر. ومع ذلك، تُنتج أيضًا منتجات "بديلة للرصاص" ويمكن العثور عليها أحيانًا في متاجر قطع غيار السيارات .

يحتوي البنزين، كما يتم توريده من المضخة، على إضافات لتقليل تراكم الكربون داخل المحرك، وتحسين الاحتراق ، وتسهيل بدء التشغيل في المناخات الباردة.

لا يزال البنزين المحتوي على الرصاص مستخدماً في بعض مناطق أمريكا الجنوبية وآسيا والشرق الأوسط. وقد تم التخلص التدريجي منه في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى بدءاً من 1 يناير 2006. وقد وضعت دول عديدة خططاً لحظر البنزين المحتوي على الرصاص في المستقبل القريب.

يتكهن بعض الخبراء بأن البنزين المحتوي على الرصاص كان وراء موجة الجريمة العالمية في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات. ^{[ 8 ]}

لتجنب ترسب الرصاص داخل المحرك، تُضاف مواد ماصة للرصاص إلى البنزين مع رباعي إيثيل الرصاص. ومن أكثرها شيوعاً:

• فوسفات ثلاثي الكريسيل
• 1,2-ثنائي برومو الإيثان
• 1,2-ثنائي كلورو الإيثان

مع انخفاض استخدام رباعي إيثيل الرصاص، كان على الصناعة إيجاد حلول لتعويض النقص في رقم الأوكتان بين أنواع الوقود الخفيف الرئيسية القابلة للتسويق التي تنتجها مصافيها، وأنواع الوقود ذات رقم الأوكتان الأعلى اللازمة لمحركات البنزين عالية الضغط في أساطيل السيارات. وقد تم تعويض حوالي 70% من هذا النقص من خلال عمليات أكثر تطوراً في مرحلة التكرير، حيث يتم تكسير منتجات هيدروكربونية أخرى من مدخنة التقطير لتحويلها إلى وقود يمزج البنزين برقم أوكتان أقرب إلى المطلوب. أما الجزء الأكبر المتبقي من نقص الأوكتان، فقد تطلب إضافات كيميائية غير مشتقة من عملية التكرير. وقد تم استبدال رباعي إيثيل الرصاص في الولايات المتحدة الأمريكية إلى حد كبير بميثيل ثالثي بوتيل الإيثر بدءاً من عام 1979. يُعد ميثيل ثالثي بوتيل الإيثر ملوثاً ساماً للمياه، وقد دفعت سلسلة من فضائح تلوث المياه الجوفية التي بدأت في التسعينيات وكالة حماية البيئة الأمريكية إلى البدء في التخلص التدريجي منه عام 2000. ^{[ 9 ]}

أدت مشاكل تلوث المياه الناجمة عن مادة MTBE إلى وضع خطط للتخلص التدريجي منها، بدءًا من عام 2000 بمقترح أولي من وكالة حماية البيئة الأمريكية، والذي تمت مناقشته عدة مرات على مستوى الولايات في السنوات اللاحقة، ثم تم إقراره نهائيًا على المستوى الفيدرالي من خلال خطة للتخلص التدريجي مدتها 9 سنوات بموجب قانون سياسة الطاقة لعام 2005، مع تخصيص نسب كبيرة من وقود الإيثانول كبديل لمادة منع الطرق في نظام وقود السيارات الأمريكي. وقد ساهمت محاولات الكونغرس للترويج للإيثانول لاستخدامه الجيوسياسي كضمانة ضد أي محاولات للحد من إمدادات البنزين في الولايات المتحدة، بالإضافة إلى حوافزه لمكافأة مزارعي الذرة في ولاية أيوا، الذين تحتل انتخاباتهم التمهيدية السياسية مكانة خاصة في النظام الانتخابي، في زيادة استخدام الإيثانول من مادة مضافة تُستخدم عند الحاجة، إلى نسبة مزج ثابتة تبلغ 5%، ثم 10%، وهي النسبة الأكثر شيوعًا اليوم في مزيج الوقود الأمريكي . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

يُسبب الإيثانول عدة مشاكل عند استخدامه كمادة مُضافة لمنع الطرق. فهو مُحب للماء، حيث يسحب بخار الماء من الهواء الرطب، كما أنه يزيد بشكل ملحوظ من مستوى الأكسجين الحر في الوقود. يُؤدي هذان العاملان إلى تدهور كبير في المحركات التقليدية، مما يُسبب مشاكل في الترسبات والتآكل بنسبة تزداد مع زيادة نسبة الإيثانول. في حين أن البنزين المُتدهور بفعل الزمن قد يتفاعل ببساطة ويتبخر، وبالتالي يفقد قابليته للاشتعال، فإن مزيج البنزين والإيثانول المُتدهور بفعل الزمن يُمكن أن يُسبب أضرارًا جسيمة إذا تُرك في المحرك لفترة طويلة. عالجت محركات السيارات هذه المشكلة بالتحول الإلزامي إلى استخدام معادن وأختام مُقاومة للإيثانول، وباستخدام نظام حقن الوقود الإلكتروني الذكي، الذي يتمتع ببعض المرونة في ضبط خصائص الاحتراق وتوقيته. لم تُواجه محركات السيارات مشاكل كبيرة بسبب هذه العوامل، ولأن السيارات قيد الاستخدام النشط عادةً ما تستهلك خزان الوقود الخاص بها في غضون أسابيع. في المحركات الصغيرة ذات المكربن ، مثل المولدات الكهربائية وجزّازات العشب، أصبح تلف الإيثانول هو السبب الرئيسي للعطل.

يُستخدم مركب ميثيل سيكلوبنتادينيل منغنيز ثلاثي الكربونيل (MMT) منذ سنوات عديدة في كندا، ومؤخراً في أستراليا، لرفع رقم الأوكتان. كما يسمح هذا المركب للسيارات القديمة، المصممة للعمل بالوقود المحتوي على الرصاص، بالعمل بالوقود الخالي من الرصاص دون الحاجة إلى إضافات لمنع تآكل مقاعد الصمامات.

خلصت دراسة كندية واسعة النطاق أجريت عام 2002 (بتمويل من شركات صناعة السيارات، التي تعارض استخدام هذه التقنية) إلى أن مادة MMT تُضعف فعالية أنظمة التحكم في انبعاثات السيارات وتزيد من التلوث الناتج عن المركبات. ومع ذلك، وجدت دراسة لاحقة أجرتها الحكومة الكندية أنه "لم يتم العثور على أي إشعار عيب يُحتمل أن يكون سببه مادة MMT". ^{[ 12 ]}

أُجريت العديد من الدراسات على مرّ الزمن، والتي أكدت توافق استخدام مادة MMT مع المركبات وسلامتها على صحة الإنسان والبيئة. وعلى وجه الخصوص، أجرت شركة ARCADIS Consulting تقييمًا للمخاطر المتعلقة بمادة MMT في عام 2013 ، وفقًا لمنهجية طورتها المفوضية الأوروبية. وقد تحققت لجنة مستقلة من هذا التقييم، وخلصت المفوضية الأوروبية إلى أنه متوافق مع منهجيتها. وخلص التقييم إلى أنه "عند استخدام مادة MMT كمادة مضافة للوقود في البنزين، لم تُرصد أي مخاوف صحية أو بيئية كبيرة تتعلق بالتعرض لمادة MMT أو نواتج تحولها [الاحتراق] (فوسفات المنغنيز، وكبريتات المنغنيز، ورباعي أكسيد المنغنيز)، حتى في المواقع التي يُسمح فيها باستخدام مادة MMT بمستويات تصل إلى 18 ملغم منغنيز/لتر". ^{[ 13 ]}

كما ذكرت وزارة الصحة الكندية في تقييمها للمخاطر المتعلقة بالاستخدام الواسع النطاق لمادة MMT في البنزين الكندي، "تشير جميع التحليلات إلى أن منتجات احتراق MMT في البنزين لا تمثل خطرًا صحيًا إضافيًا على السكان الكنديين" ^{[ 14 ].}

يُصنّع مركب MMT عن طريق اختزال ثنائي (ميثيل سيكلوبنتادينيل) المنغنيز باستخدام ثلاثي إيثيل الألومنيوم. ويُجرى هذا الاختزال في جو من أول أكسيد الكربون. يُعرف مركب MMT باسم مركب نصف الساندويتش، أو تحديدًا مركب كرسي البيانو (حيث تُشبه روابط أول أكسيد الكربون الثلاثة أرجل كرسي البيانو). ترتبط ذرة المنغنيز في مركب MMT بثلاث مجموعات كربونيل بالإضافة إلى حلقة ميثيل سيكلوبنتادينيل. تجعل هذه الروابط العضوية الكارهة للماء مركب MMT شديد المحبة للدهون، مما قد يزيد من تراكمه الحيوي . في حين أن بنية مركب MMT تُشير إلى محبته للدهون وقدرته على التراكم الحيوي، إلا أن مقارنة عوامل التركيز الحيوي (BCF) المُبلغ عنها لأنواع نباتية وحيوانية مع الحدود التنظيمية (مثل وكالة حماية البيئة الأمريكية ولوائح REACH الأوروبية) تُشير إلى انخفاض قدرة مركب MMT على التراكم الحيوي. يوضح الشكلان 2 و3 من الدراسة (الصفحتان 182 و184) معامل التراكم الحيوي (BCF) مُرسمًا بيانيًا مع الزمن، ويُبينان معامل التراكم الحيوي المُحتمل لمركب MMT. من هذين الشكلين، يُظهر المنحنى العلوي (أ) أن معامل التراكم الحيوي لمركب MMT بعد 9 أيام يصل إلى حد أقصى يبلغ حوالي 400 في النباتات و200 في الأسماك، وكلا القيمتين أقل بكثير من عتبات التراكم الحيوي/التراكم الحيوي الشديد (B/vB) لوكالة حماية البيئة الأمريكية، ولائحة REACH التابعة للاتحاد الأوروبي، ووزارة البيئة وتغير المناخ الكندية. ^{[ 15 ]}

هناك مجموعة متنوعة من المركبات ذات الصلة المعروفة، بما في ذلك الفيروسين، والذي يجري النظر فيه أيضًا كمادة مضافة للبنزين.

الفيروسين هو مركب عضوي فلزي صيغته Fe(C₅H₅ ₎ ₂ _. وهو النموذج الأولي للميتالوسين ، وهو نوع من المركبات الكيميائية العضوية الفلزية يتكون من حلقتين من السيكلوبنتادينيل مرتبطتين على جانبين متقابلين لذرة فلزية _مركزية . تُعرف هذه المركبات العضوية الفلزية أيضًا باسم المركبات الشطيرية . ^{[ 16 ]} غالبًا ما يُعزى النمو السريع للكيمياء العضوية الفلزية إلى الحماس الذي أثاره اكتشاف الفيروسين والعديد من نظائره.

لا تُستخدم الفيروسين ومشتقاتها العديدة على نطاق واسع، ولكنها تتمتع بالعديد من الاستخدامات المتخصصة التي تستغل بنيتها غير العادية (كهياكل رابطة، ومرشحات دوائية)، ومتانتها (كتركيبات مضادة للصدمات، ومواد أولية)، وتفاعلات الأكسدة والاختزال (ككواشف ومعايير للأكسدة والاختزال). وقد اقتُرح استخدامها في التبريد العالمي. ^{[ 17 ]}

يُعد الفيروسين ومشتقاته من المواد المضادة للخبط التي تُضاف إلى البنزين المستخدم في السيارات، وهي أكثر أمانًا من رباعي إيثيل الرصاص المحظور حاليًا. ^{[ 18 ]} يمكن إضافة محاليل مضافة للبنزين تحتوي على الفيروسين إلى البنزين الخالي من الرصاص لتمكين استخدامه في السيارات الكلاسيكية المصممة للعمل بالبنزين المحتوي على الرصاص. ^{[ 19 ]} يمكن أن تُشكّل الرواسب الحديدية المتكونة من الفيروسين طبقة موصلة على أسطح شمعات الإشعال.

خماسي كربونيل الحديد ، المعروف أيضاً باسم كربونيل الحديد، هو المركب ذو الصيغة Fe(CO) ₅ . في الظروف القياسية، يكون Fe(CO) ₅ سائلاً سهل التدفق، بلون القش، وله رائحة نفاذة.

يُعدّ هذا المركب مادةً أوليةً شائعةً للعديد من مركبات الحديد، بما في ذلك العديد من المركبات المفيدة في التخليق العضوي . ^{[ 20 ]} يُحضّر Fe(CO) _{₅ عن طريق تفاعل جزيئات} الحديد الدقيقة مع أول أكسيد الكربون . ويُمكن شراء Fe(CO) _₅ بسعر زهيد.

يُعدّ خماسي كربونيل الحديد أحد مركبات الكربونيل المعدنية المتجانسة ؛ أي المركبات المعدنية المرتبطة فقط بروابط CO . ومن الأمثلة الأخرى Cr(CO) ₆ ثماني السطوح و Ni(CO) ₄ رباعي السطوح .

تحتوي معظم مركبات الكربونيل المعدنية على 18 إلكترون تكافؤ ، وينطبق هذا النمط على Fe(CO) _₅ حيث يحتوي على 8 إلكترونات تكافؤ على ذرة الحديد وخمسة أزواج من الإلكترونات من روابط CO. ونظرًا لبنيته المتناظرة وتعادله الكهربائي، فإن Fe(CO) ₅ متطاير _؛ وهو من أكثر معقدات المعادن السائلة شيوعًا.

يتخذ Fe(CO) ₅ بنية هرمية ثلاثية ثنائية، حيث تحيط ذرة الحديد بخمسة روابط CO : ثلاثة في مواقع استوائية واثنان مرتبطان محوريًا. روابط Fe-CO خطية.

يُعدّ Fe(CO) _₅ مثالًا نموذجيًا للجزيء الديناميكي نظرًا للتبادل السريع بين مجموعات CO المحورية والاستوائية عبر آلية بيري على المقياس الزمني للرنين المغناطيسي النووي . ونتيجةً لذلك، يُظهر طيف الرنين المغناطيسي النووي للكربون ^-13 إشارةً واحدةً فقط بسبب التبادل السريع بين مواقع CO غير المتكافئة.

في أوروبا ، كان يُستخدم خماسي كربونيل الحديد سابقًا كعامل مضاد للخبط في البنزين بدلًا من رباعي إيثيل الرصاص . ومن الإضافات الحديثة الأخرى للوقود الفيروسين وثلاثي كربونيل ميثيل سيكلوبنتادينيل المنغنيز . يُستخدم خماسي كربونيل الحديد (Fe(CO) _₅) في إنتاج " حديد الكربونيل "، وهو شكل دقيق من الحديد يُستخدم في النوى المغناطيسية للملفات عالية التردد في الإلكترونيات، وفي تصنيع المكونات النشطة لبعض المواد الماصة للرادار (مثل طلاء كرات الحديد ). وهو مشهور بكونه مادة كيميائية أولية لتخليق العديد من الجسيمات النانوية القائمة على الحديد .

وقد تبين أن خماسي كربونيل الحديد مثبط قوي لسرعة اللهب في اللهب القائم على الأكسجين.

التولوين سائل شفاف غير قابل للذوبان في الماء ، ذو رائحة حلوة خفيفة ومتطايرة للغاية تُشبه رائحة مخففات الطلاء أو المذيبات العضوية الأخرى . وهو هيدروكربون عطري يُستخدم على نطاق واسع كمادة خام صناعية ومذيب . ومثل المذيبات الأخرى، يُستخدم التولوين أيضًا كدواء استنشاقي لخصائصه المُسكرة. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

استُخدم التولوين والبنزين كمُحسِّنات لرقم الأوكتان في وقود الطائرات من قِبل سلاح الجو الملكي البريطاني خلال الحرب العالمية الثانية . ونظرًا لنقص إنتاج رباعي إيثيل الرصاص في الولايات المتحدة الأمريكية، قام مهندسو رولز رويس بتصميم محرك رولز رويس ميرلين ليعمل بوقود مُضاف إليه البنزين والتولوين، والذي عُرف باسم "الوقود العطري". ^{[ 23 ]} لم يكن محرك أليسون V-1710 متوافقًا مع وقود سلاح الجو الملكي البريطاني لأنه كان يتطلب رباعي إيثيل الرصاص لتزييت نظام الصمامات، بينما كان محرك ميرلين من إنتاج باكارد متوافقًا معه. ولهذا السبب، وُضِعَت عبارة "مناسب للوقود العطري" على وصف طراز طائرات موستانج P-51 المزودة بمحرك ميرلين في سلاح الجو الأمريكي. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يمكن استخدام التولوين كمُحسِّن للأوكتان في وقود البنزين المستخدم في محركات الاحتراق الداخلي . وقد استُخدم التولوين بنسبة 86% من حيث الحجم كوقود لجميع فرق الفورمولا 1 المزودة بشاحن توربيني في ثمانينيات القرن الماضي، وكان فريق هوندا أول من استخدمه. أما النسبة المتبقية البالغة 14% فكانت عبارة عن مادة "حشو" من الهيبتان العادي، لخفض الأوكتان بما يتوافق مع قيود وقود الفورمولا 1. يمكن استخدام التولوين بنسبة 100% كوقود لمحركات الشوطين والأربعة أشواط؛ إلا أنه نظرًا لكثافته وعوامل أخرى، لا يتبخر بسهولة إلا بعد تسخينه مسبقًا إلى 70 درجة مئوية (وقد حققت هوندا ذلك في سيارات الفورمولا 1 الخاصة بها عن طريق تمرير أنابيب الوقود عبر نظام العادم لتسخين الوقود). كما يُسبب التولوين مشاكل مشابهة لوقود الكحول، حيث يُتلف أنابيب الوقود المطاطية القياسية، ولا يمتلك خصائص التشحيم التي يتمتع بها البنزين العادي، مما قد يُؤدي إلى تلف مضخات الوقود وتآكل الجزء العلوي من تجويف الأسطوانة.

كما تم استخدام التولوين كمبرد لقدراته الجيدة على نقل الحرارة في مصائد الصوديوم الباردة المستخدمة في حلقات نظام المفاعل النووي.

تتشابه خصائص الزيلين والإيثيل بنزين تقريبًا مع خصائص التولوين، حيث يتم الإعلان عن الأخير من قبل مصفاة على أنه "مكون من مكونات الوقود عالي الأداء".

2،2،4-ثلاثي ميثيل البنتان ، المعروف أيضاً باسم إيزو أوكتان ، هو أحد متصاوغات الأوكتان الذي يمثل النقطة 100 على مقياس تصنيف الأوكتان (النقطة صفر هي ن- هبتان ). وهو مكون مهم من مكونات البنزين .

يُنتج الأيزوكتان بكميات هائلة في صناعة البترول ، عادةً كمزيج مع هيدروكربونات أخرى. وتُستخدم عملية الألكلة لألكلة الأيزوبيوتان مع الأيزوبوتيلين باستخدام عامل حفاز حمضي قوي. في عملية NExOCTANE، ^{[ 26 ]} يُحوّل الأيزوبوتيلين إلى ثنائي أيزوأوكتين ، ثم يُهدرج إلى أيزوأوكتان.

خلال الحرب العالمية الثانية ، كان الزيليدين عاملًا هامًا مضادًا للاحتراق غير المنتظم في أنواع البنزين عالية الأداء المستخدمة في الطائرات . وكان الغرض منه هو السماح بمستويات عالية من ضغط التعزيز في الشواحن التوربينية متعددة المراحل، وبالتالي توليد طاقة عالية على ارتفاعات شاهقة، دون التسبب في انفجار قد يُدمر المحرك. وقد أدت الضغوط العالية إلى ارتفاع درجات حرارة الهواء الداخل، مما جعل المحركات عرضة للاحتراق غير المنتظم. وكانت طرق استخدام هذا المنتج وتخزينه لتحقيق الاستقرار من الأسرار العسكرية الهامة. ^{[ 27 ] [ 28 ]}