فحم

يعود تاريخ إنتاج الفحم الخشبي في المناطق الغنية بالخشب إلى العصور القديمة. وكان يبدأ عادةً بتكديس قطع الخشب على أطرافها لتشكيل كومة مخروطية. تُترك فتحات في الأسفل لدخول الهواء ، مع وجود قناة مركزية تعمل كمدخنة . تُغطى الكومة بالكامل بالعشب أو الطين الرطب . يبدأ الحرق من أسفل المدخنة، ثم ينتشر اللهب تدريجيًا إلى الخارج وإلى الأعلى.

كانت الطريقة التقليدية في بريطانيا تعتمد على كومة من جذوع الأشجار أو ما يُعرف بـ"المكبس" . ^{[ 4 ]} وكانت هذه الكومة عبارة عن مجموعة من جذوع الأشجار (مثل خشب البلوط المُجفف) موضوعة بشكل دائري على مدخنة. تتكون المدخنة من أربعة أوتاد خشبية مثبتة بحبل. وفي المكبس أيضًا، كانت جذوع الأشجار تُغطى بالكامل بالتراب والقش، مما يمنع دخول الهواء. وكان لا بد من إشعالها بإدخال بعض الوقود المشتعل في المدخنة. تحترق جذوع الأشجار ببطء وتتحول إلى فحم على مدى خمسة أيام. وإذا تمزق غطاء التراب أو تشقق بفعل النار، يُضاف المزيد من التراب إلى الشقوق. وبمجرد اكتمال الاحتراق، تُسد المدخنة لمنع دخول الهواء.

يحترق الفحم عند درجات حرارة تتجاوز 1100 درجة مئوية (2010 درجة فهرنهايت) . ^{[ 13 ]} وبالمقارنة، تتراوح درجة انصهار الحديد بين 1200 و1550 درجة مئوية (2190 إلى 2820 درجة فهرنهايت) . ونظرًا لمساميته، يتأثر الفحم بتدفق الهواء، ويمكن التحكم في الحرارة المتولدة من خلال التحكم في تدفق الهواء إلى النار. لهذا السبب، لا يزال الفحم يُستخدم على نطاق واسع من قبل الحدادين. وقد استُخدم الفحم في إنتاج الحديد والصلب ( حيث وفّر أيضًا الكربون اللازم) منذ عام 2000 قبل الميلاد على الأقل ، حيث عُثر على مصنوعات يدوية في طبقات بروتو-حثيت في كامان-كالهويوك . ^{[ 14 ]} ويمكن أن تحترق قوالب الفحم المضغوطة حتى درجة حرارة 1260 درجة مئوية (2300 درجة فهرنهايت) تقريبًا باستخدام فرن يعمل بمنفاخ هواء قسري. ^{[ 15 ]}    

في القرن السادس عشر، اضطرت إنجلترا إلى سنّ قوانين لمنع تجريد البلاد من أشجارها بالكامل نتيجةً لإنتاج الحديد. وفي القرن التاسع عشر، استُبدل الفحم النباتي إلى حد كبير بفحم الكوك في صناعة الصلب بسبب التكلفة، على الرغم من أن فحم الكوك عادةً ما يُضيف الكبريت، وأحيانًا ملوثات ضارة أخرى، إلى الحديد الخام. أما المناطق المعدنية الغنية بالغابات والخالية من الفحم، مثل السويد وجبال الأورال وسيبيريا، فقد تحولت من استخدام الفحم النباتي في أوائل القرن العشرين.

قبل الثورة الصناعية، كان الفحم يُستخدم أحيانًا كوقود للطهي . ويُصنف كوقود عديم الدخان ؛ أي أن الكربون فيه نقيٌّ بدرجة كافية تجعل احتراقه يُسبب تلوثًا هوائيًا أقل بكثير من احتراق المادة العضوية الأصلية غير المتفحمة. في القرن العشرين، فرضت تشريعات الهواء النظيف استخدام أنواع الوقود عديمة الدخان (معظمها فحم الكوك أو الفحم النباتي) في العديد من مناطق أوروبا. وفي القرن الحادي والعشرين، رُوج للفحم النباتي كوسيلة لتحسين صحة الأشخاص الذين يحرقون الكتلة الحيوية الخام للطهي و /أو التدفئة. تُصنع قوالب "الفحم" الحديثة، الشائعة الاستخدام في الطهي الخارجي، من الفحم النباتي، ولكنها قد تحتوي أيضًا على الفحم الحجري كمصدر للطاقة، بالإضافة إلى مواد مُسرِّعة للاشتعال ومواد رابطة ومواد مالئة.

لحفظ الفحم واستخدامه لأغراض الطهي، يمكن استخدام شواية . تُعرف شواية الفحم اليابانية الصغيرة باسم " شيتشيرين" . أما الموقد فهو وعاء يُستخدم لحرق الفحم أو أي وقود صلب آخر.

إشعال الفحم أصعب من إشعال نار الحطب، وقد يُستخدم سائل إشعال الفحم . كما تُعدّ مدخنة الإشعال أو مشعل الفحم الكهربائي أدواتٍ تُساعد على إشعال الفحم.

يشكل الفحم حوالي 75% من الوقود المستخدم في هايتي . ^{[ 16 ]}

تُستخدم أنواع معينة من الفحم، مثل فحم الخشب، في التفاعلات الكربونية الحرارية لاختزال أكاسيد المعادن المسخنة إلى معادنها المقابلة. ^{[ 17 ]} على سبيل المثال:

• ZnO + C → Zn + CO
• Fe₂O₃ _{+ 3C} → 2Fe + 3CO

يمكن أيضًا استخدام الفحم في عملية التغويز لتقليل البخار شديد التسخين إلى هيدروجين (مع تكوين أول أكسيد الكربون). ^{[ 18 ]} على سبيل المثال:

• C + H ₂ O (1000  °C) → H ₂ + CO ( غاز الماء )

كغيره من مصادر الكربون، يُمكن استخدام الفحم لإنتاج تركيبات مختلفة من الغاز التخليقي ؛ أي مخاليط متنوعة من أول أكسيد الكربون والهيدروجين _{وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين} . ويُستخدم هذا الغاز عادةً كوقود، بما في ذلك في محركات السيارات، أو كمادة خام كيميائية.

في أوقات ندرة النفط، تم تحويل السيارات وحتى الحافلات للعمل بغاز الخشب: وهو خليط غازي يتكون أساسًا من النيتروجين الجوي المخفف ، ولكنه يحتوي أيضًا على غازات قابلة للاشتعال (معظمها أول أكسيد الكربون ) تنبعث من حرق الفحم أو الخشب في مولد غاز الخشب . في عام 1931، طور تانغ تشونغمينغ سيارة تعمل بالفحم، وكانت هذه السيارات شائعة في الصين حتى خمسينيات القرن العشرين، وفي فرنسا المحتلة خلال الحرب العالمية الثانية ، حيث كانت تُعرف باسم "غازوجين" .

يُستخدم الفحم في إنتاج البارود الأسود ، الذي يُستخدم على نطاق واسع في صناعة الألعاب النارية. يُطحن عادةً إلى مسحوق ناعم، ويُعدّ نوع "الطيران الهوائي" أنعم أنواع المسحوق المتوفرة تجاريًا. عند استخدامه في تركيبات البارود الأسود، يُطحن غالبًا مع مكونات أخرى في مطحنة كروية لضمان تجانسها. تُعطي بعض أنواع الفحم نتائج أفضل في صناعة البارود الأسود، ومنها فحم التنوب، والصفصاف، والباولونيا، والعنب، وغيرها. يُنتج الفحم شرارات دقيقة بلون برتقالي داكن/ذهبي . عادةً ما يُستخدم مسحوق بحجم حبيبات يتراوح بين 10 و325 للحصول على زخات من الشرارات الذهبية في تركيبات الألعاب النارية. ^{[ 19 ]}

يدخل الفحم أيضاً في العديد من مستحضرات التجميل. ويمكن إنتاجه من الخيزران العادي المقطّع إلى قطع صغيرة والمغلي في الماء لإزالة المركبات الذائبة. ويُستخلص فحم الخيزران الخام بعد تجفيفه وكربنته في فرن بدرجة حرارة عالية. ويكمن دور الفحم في مستحضرات التجميل في خصائصه الامتصاصية الفعّالة للغاية على المستوى المجهري. ^{[ 20 ]}

يمكن استخدام الفحم كمصدر للكربون في التفاعلات الكيميائية. ومن الأمثلة على ذلك إنتاج ثاني كبريتيد الكربون من خلال تفاعل أبخرة الكبريت مع الفحم الساخن. في هذه الحالة، يجب حرق الخشب في درجة حرارة عالية لتقليل كميات الهيدروجين والأكسجين المتبقية التي تؤدي إلى تفاعلات جانبية.

يمكن تنشيط الفحم لزيادة فعاليته كمرشح. يمتص الفحم المنشط بسهولة مجموعة واسعة من المركبات العضوية المذابة أو المعلقة في الغازات والسوائل. في بعض العمليات الصناعية، مثل تنقية السكروز من قصب السكر، تتسبب الشوائب في لون غير مرغوب فيه، يمكن إزالته باستخدام الفحم المنشط. كما يُستخدم لامتصاص الروائح والسموم في المحاليل الغازية، كما هو الحال في أجهزة تنقية الهواء المنزلية وبعض أنواع أقنعة الغاز . أما الاستخدام الطبي للفحم المنشط فيتمثل أساسًا في امتصاص السموم . ^{[ 21 ]} يتوفر الفحم المنشط بدون وصفة طبية، لذا يُستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصحية. على سبيل المثال، يُستخدم غالبًا لتخفيف الانزعاج والإحراج الناتج عن الغازات الزائدة ( انتفاخ البطن ) في الجهاز الهضمي. ^{[ 22 ]}

الفحم الحيواني، أو أسود العظام، هو بقايا كربونية تُستخلص من التقطير الجاف للعظام. يحتوي على حوالي 10% فقط من الكربون، أما الباقي فهو فوسفات الكالسيوم والمغنيسيوم (80%) ومواد غير عضوية أخرى كانت موجودة في العظام. يُصنع عادةً من مخلفات صناعات الغراء والجيلاتين . استُخدمت قدرته على التبييض عام 1812 من قِبل ديروسن لتصفية شراب السكر ، لكن استخدامه في هذا المجال تضاءل بشكل كبير. اليوم ، نادرًا ما يُستخدم لهذا الغرض نظرًا لظهور كواشف أكثر فعالية وأسهل استخدامًا، ولكنه لا يزال يُستخدم إلى حد ما في المختبرات . تتضاءل فعالية التبييض للفحم في المحلول مع امتصاصه للملوثات الملونة، ويجب إعادة تنشيطه دوريًا عن طريق الغسل وإعادة التسخين بشكل منفصل. ^{[ 5 ]} في حين أن فحم الخشب يُزيل بعض الأصباغ والملوثات من المحاليل بفعالية، فإن فحم العظام يُعدّ أكثر فعالية كمرشح امتصاص نظرًا لزيادة مساميته ومساحة سطحه.

كان الفحم يُستهلك قديمًا على شكل بسكويت لعلاج مشاكل المعدة. ويمكن تناوله أيضًا على شكل أقراص أو كبسولات أو مسحوق لتحسين الهضم. ^{[ 23 ]} ولا تزال الأبحاث المتعلقة بفعاليته مثيرة للجدل. ^{[ 24 ] [ 25 ]} ويُستخدم عادةً في مكافحة التسمم عن طريق معادلة السموم. ^{[ 26 ]}

استُخدم الفحم مع السكرين في الأبحاث لقياس زمن النقل المخاطي الهدبي . ^{[ 27 ]}

كما تم إدخال الفحم في تركيبات معجون الأسنان ؛ ومع ذلك، لا يوجد دليل لتحديد سلامته وفعاليته. ^{[ 28 ]}

لوحظ أن قرود الكولوبوس الحمراء في أفريقيا تتناول الفحم كنوع من العلاج الذاتي. ولأن نظامها الغذائي الورقي يحتوي على مستويات عالية من السيانيد ، مما قد يؤدي إلى عسر الهضم، فقد تعلمت هذه القرود تناول الفحم، الذي يمتص السيانيد ويخفف من الانزعاج. وتنتقل هذه المعرفة من الأم إلى الرضيع. ^{[ 29 ]}

يُستخدم الفحم في الرسم ، ورسم المخططات الأولية في اللوحات ، وهو أحد الوسائط الممكنة المستخدمة في فن الرسم التخطيطي . وعادةً ما يتطلب حفظه استخدام مُثبِّت . يستخدم الفنانون الفحم عمومًا في أربعة أشكال:

• يتم إنتاج فحم الكرمة عن طريق حرق كروم العنب .
• يُصنع فحم الصفصاف عن طريق حرق أعواد الصفصاف.
• يُستخدم مسحوق الفحم غالبًا لتلوين أو تغطية مساحات واسعة من سطح الرسم. الرسم فوق المناطق الملونة يزيد من تغميقها، ولكن يمكن للفنان أيضًا تفتيحها (أو مسحها تمامًا) داخل المنطقة الملونة للحصول على درجات لونية أفتح.
• الفحم المضغوط هو مسحوق فحم ممزوج بمادة رابطة صمغية ، ثم يُضغط على شكل أعواد. وتحدد كمية المادة الرابطة صلابة العود. ^{[ 30 ]} يُستخدم الفحم المضغوط في أقلام الرصاص الفحمية .

أُعيد اكتشاف استخدام إضافي للفحم مؤخرًا في مجال البستنة . ورغم أن البستانيين الأمريكيين استخدموا الفحم لفترة وجيزة، فقد كشفت الأبحاث التي أُجريت على تربة تيرا بريتا في منطقة الأمازون عن استخدام واسع النطاق للفحم الحيوي من قِبل السكان الأصليين قبل وصول كولومبوس لتحسين التربة غير المنتجة وتحويلها إلى تربة غنية بالكربون . وقد تجد هذه التقنية تطبيقات حديثة، سواء لتحسين التربة أو كوسيلة لعزل الكربون . ^{[ 31 ]}

يُخلط الفحم مع العلف، أو يُضاف إلى الفرشة ، أو يُستخدم في معالجة السماد . ^{[ 32 ]} تستفيد الدواجن من استخدام الفحم بهذه الطريقة. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

أدى القلق من إمكانية استخدام الفحم النشط بشكل غير أخلاقي للسماح للماشية بتحمل الأعلاف منخفضة الجودة الملوثة بالأفلاتوكسينات إلى حظر جمعية مسؤولي مراقبة الأعلاف الأمريكية استخدامه في أعلاف الماشية التجارية في عام 2012. ^{[ 35 ]}