Для чего нужны спички в химии

Химия вокруг нас

Спички

Человек давно уже был знаком с чудодейственными свойствами огня, стихийно возникающего в результате удара молнии. Поэтому отыскание способов добывания огня было предпринято еще первобытным человеком. Энергичное трение двух кусков дерева – один из таких способов. Самовоспламенение древесины происходит при температуре выше 300°C. Понятно, какие мускульные усилия необходимо приложить для локального разогревания древесины до такой температуры. И тем не менее в свое время овладение этим способом было величайшим достижением, так как использование огня позволило человеку в значительной мере снять с себя зависимость от климата, а значит, расширить пространство для существования. Высекание искр при ударе камня о кусок пирита FeS₂ и поджигание ими обуглившихся кусков дерева или растительных волокон было другим способом получения огня человеком.

Поскольку способы получения огня были несовершенны и трудоемки, человеку приходилось постоянно поддерживать горящий источник огня. Для перенесения огня в Древнем Риме использовали деревянные палочки, обмакнутые в расплав серы.

Приспособления для получения огня, основанные на химических реакциях, начали делать в конце XVIII в. Вначале это были древесные лучинки, на кончике которых в виде головки закреплялись хлорат калия (бертолетова соль KclO₃) и сера. Головка погружалась в серную кислоту, происходила вспышка и лучинка загоралась. Человек был вынужден хранить и обращаться с небезопасной серной кислотой, что было крайне неудобно. Тем не менее это химическое «огниво» можно рассматривать как прародитель современных спичек.

В начале XIX в. немецкий химик Деберейнер изобрел более совершенное, но и более сложное огниво. Им было установлено, что струя водорода, направленная на губчатую платину, воспламеняется на воздухе.

Губчатая платина играет роль катализатора. Для использования этого средства при получении огня в быту им был создан небольшой стеклянный прибор (по типу ранее изобретенного Киппом аппарата, носящего его имя). Водород получался приведением в контакт металлического цинка и серной кислоты. Таким образом, получение пламени и его тушение обеспечивалось поворотом крана, приводящего в контакт (или разделяющего) серную кислоту и цинк. Огниво Деберейнера можно считать прародителем современной газовой или бензиновой зажигалки.

В современной зажигалке воспламенение горючего производится под действием искры, получающейся от сгорания мельчайшей частицы «кремня», срезанной зубчатым колесиком. «Кремень» представляет собой смесь редкоземельных металлов (лантаноидов). В мелкораздробленном состоянии эта смесь пирофорна, т.е. самовоспламеняется на воздухе, образуя искру.

Однако более ранний пирофор изготавливали из смеси поташа K₂CO₃ и высушенных квасцов K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃. К нему добавляли мелкодисперсный уголь или сажу и нагревали до каления без доступа воздуха. Порошок охлаждали и помещали в герметически закрытый сосуд, откуда он мог извлекаться по мере необходимости. Для добывания огня порошок высыпался на трут, вату или тряпки и уже в воздухе воспламенялся. Считают, что при прокаливании на оставшихся частичках угля образуется мелкодисперсный металлический калий, который, окисляясь на воздухе, и служит инициатором воспламенения.

Важнейшим этапом на пути к современным спичкам было введение в состав массы спичечной головки белого фосфора (1833). Такие спички легко зажигались от трения о шероховатую поверхность. Однако при горении они создавали неприятный запах и главное, их производство было весьма вредно для рабочих. Пары белого фосфора приводили к тяжелейшему заболеванию – фосфорному некрозу костей. Прежде всего некрозу подвергались кости челюстей людей, так как фосфор проникал через кариозные зубы.

В 1847 г. было установлено, что белый фосфор при нагревании в закрытом сосуде без доступа воздуха превращается в другую модификацию – красный фосфор. Он гораздо менее летуч и практически не ядовит. Вскоре белый фосфор в головках спичек был заменен на красный. Такие спички зажигались лишь при трении о специальную поверхность из красного фосфора, клея и других веществ. Эти спички называли безопасными или шведскими, так как фабричным способом их впервые начали изготавливать в Швеции в 1867. 1869 гг.

Первая спичечная фабрика в России была зарегистрирована в 1837 г., а через семь лет их было уже восемь. В 1848 г. преподаватель химии С.-Петербургского технологического института Н. Витт писал, что «все прежде употребительные огнивы разных устройств и названий ныне оставлены, потому что промышленность в новейшее время так удачно умела воспользоваться теоретическими химическими сведениями, распространившимися между сословиями заводчиков, что приспособила удобно вспыхивающие составы к деланию спичек, зажигающихся от трения, и успела усовершенствовать их до такой степени, что они, выполняя совершенно свою цель, сделались доступными по своей дешевизне для всех, а потому далеко оставили за собою все подобные средства и имели огромный успех».

Существует несколько разновидностей современных спичек. По назначению различают спички, зажигающиеся в обычных условиях, влагоупорные (рассчитанные на зажигание после хранения во влажных условиях, например в тропиках), ветровые (зажигающиеся на ветру) и др.

У нас, так же как и в других странах, преимущественно выпускают спички из древесной палочки (называемой соломкой) с головкой, требующей для воспламенения трения о намазку, нанесенную на боковые стороны спичечной коробки.

В качестве основного сырья для изготовления спичечной соломки с прошлого столетия используют главным образом осину и реже липу. Для этого с круглого очищенного от коры чурака специальным ножом по спирали снимается лента, которая затем рубится на спичечную соломку. При сгорании спички необходимо получить нетлеющий уголек от соломки и удержать на нем раскаленный шлак от сгоревшей головки. Необходимость последнего обусловливается стремлением обезопасить потребителя от прожогов одежды при попадании раскаленного шлака. Тлеющий уголек от соломки, естественно, представляет пожарную опасность. Для устранения тления соломки и закрепления шлака от головки соломку пропитывают веществами, образующими на ее поверхности при горении пленку. Благодаря этой пленке прекращается сгорание угля. Она же закрепляет шлак от головки. В качестве противотлеющих веществ используют фосфорную кислоту и ее соль (NH₄)₂HPO₄.

Для обеспечения эффективного перехода пламени от головки к соломке последняя около головки пропитывается расплавленным парафином. Спички с непарафинированной соломкой гаснут практически вслед за сгоранием головки. Парафин легко воспламеняется при горении головки и дает яркое пламя, что важно в случае использования спички как источника света. Кроме того, он обладает хорошей теплотворной способностью, способствующей возгоранию соломки, безопасен при хранении спичек, не выделяет при горении копоти, дыма или вредных газов.

За период более чем 150 лет было использовано большое количество рецептур зажигательных масс, из которых изготавливают головки спичек. Они являются сложными многокомпонентными системами. В них входят: окислители (KClO₃, K₂Cr₂O₇, MnO₂), дающие кислород, необходимый для горения; горючие вещества (сера, животные и растительные клеи, сульфид фосфора P₄S₃); наполнители – вещества, предотвращающие взрывной характер горения головки (измельченное стекло, Fe₂O₃); склеивающие вещества (клеи), которые одновременно являются и горючими; стабилизаторы кислотности (ZnO, CaCO₃ и др.); вещества, окрашивающие спичечную массу в определенный цвет (органические и неорганические красители).

По количеству кислорода, выделяемого на одну массовую часть, хромпик K₂Cr₂O₇ уступает бертолетовой соли KC1O₃, но зажигательные составы, содержащие первый окислитель, воспламеняются значительно легче. Кроме того, хромпик улучшает качество шлака.

Повышенная кислотность зажигательной массы нежелательна, так как она способствует протеканию побочных химических процессов. Поэтому в нее добавляют оксид цинка и мел.

Пиролюзит MnO₂ играет двойную роль: катализатора разложения бертолетовой соли и источника кислорода. Оксид железа (III) Fe₂O₃ также выполняет две функции. Он является минеральной краской (цвет ржавчины) и существенно уменьшает скорость горения массы, делая горение более спокойным.

Температура горения спичечных головок достигает 1500°C, а температура их воспламенения лежит в пределах 180. 200°C.

Фосфорная (терочная) масса также является многокомпонентной. Она наносится на узкие боковые наружные стороны спичечной коробки. В состав наиболее распространенной терочной массы входят: красный фосфор, сульфид сурьмы (Ш) Sb₂S₃, железный сурик Fe₂O₃, пиролюзит MnO₂, мел CaCO₃, клей.

Считают, что при трении головки о фосфорные намазки тепловой импульс направлен в основном не на нагревание зажигательной массы до температуры воспламенения, а на сублимацию (возгонку) красного фосфора. В результате сублимации красного фосфора образуется белый, который легко взаимодействует с кислородом воздуха с выделением большого количества теплоты.

Одним из важных показателей качества спичек является легкость воспламенения головки спички о терку. Этот показатель называют чуткостью спичек. Она должна находиться в определенных пределах. Спички с очень высокой чуткостью способны воспламеняться при трении о неактивные шероховатые поверхности и потому не отвечают требованиям безопасности. При транспортировке таких спичек возможно самопроизвольное воспламенение. Опытом установлено, что чувствительность спичек зависит от соотношения окислителей и восстановителей в зажигательной смеси и от состава намазной массы терки. Температура воспламенения зажигательной массы имеет меньшее значение, чем головки.

При многих недостатках спички, содержащие в головке белый фосфор, имели одно большое достоинство – они легко зажигались при трении о любую шероховатую поверхность. Это свойство удалось сообщить обычным спичкам введением в их головку трисульфида тетра-фосфора P₄S₃. Специалисты называют такие спички сесквисульфидными или сокращенно сесквиспичками. Особым сортом спичек являются ветровые. Они позволяют использовать пламя при силе ветра в 10. 12 баллов. Длительность горения таких спичек равна 5. 10 с. В отличие от обычных спичек у ветровых удлиненная форма головки (10. 12 мм). Для продления времени горения в состав головки вводят крахмал. Для усиления ветроустойчивости спичек (до 12 баллов) в состав головки вводят нафталин.

При изготовлении влагоупорных спичек их головки покрывают нитроцеллюлозной пленкой.

Подсчитано, что мировое производство спичек составляет 30 млрд коробок в год. На одну коробку расходуется около 1 г спичечной массы. Следовательно, расход спичечной массы в мировом масштабе составляет десятки тысяч тонн в год.

Следует отметить, что реакция, протекающая при сгорании головки спички, – это один из наиболее бурных химических процессов. В больших масштабах она является и одной из наиболее опасных. Поэтому производство спички (которая хотя и называется безопасной) требует к себе уважительного отношения.

После прочтения этого материала, возможно, вы, уважаемый читатель, беря в руки обыкновенную спичку, будете относиться к ней с большим почтением, чем до сих пор. Ведь в ней сосредоточена не только большая энергия, но и опыт многих поколений и труд многих людей.

Источник

Разработка урока химии «Спички – глазами химика»

Разделы: Химия

ТИП ДАННОГО УРОКА – урок повторения.

ФОРМА ОРГАНИЗАЦИИ УРОКА – урок исследования объекта.

МЕТОДЫ ОБУЧЕНИЯ НА УРОКЕ:

ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ УЧАЩИХСЯ: диалог; работа в парах; эксперимент; элементы самостоятельной деятельности; самооценка.

ОБОРУДОВАНИЕ: на каждом столе образцы веществ серы, карбоната кальция, бихромата калия, измельченного стекла, оксидов цинка и железа(Ш), костного клея, коробок со спичками, специальные блокноты для работы на уроке у каждого ученика. На столе учителя – красный фосфор, стеклянная трубочка, спиртовка, различные виды спичек. У каждого ученика специальный блокнот для работы (приложение1). Компьютерная презентация (приложение2).

Приветствие учителя. Здравствуйте, я очень надеюсь на взаимное сотрудничество и вашу помощь. Ну, а тему урока мы попробуем определить вместе. Посмотрите на слайд и отгадайте загадку (слайд №1):

Осторожно их берут,
Головой о стенку трут,
Чиркнут ловко раз и два –
Загорится голова.

Вместе с учениками учитель определяет тему урока– спички.

Но мы с вами на уроке химии, поэтому посмотрим на этот обычный предмет глазами химика.

2 слайд – Тема урока: “Спички – глазами химика”.

Сегодня на уроке мы должны с вами узнать все о самом обыденном предмете – спичках, без которых человек уже, наверное, обойтись не может. Мы с вами сегодня исследователи. Для работы нам потребуется блокнот, в который мы будем делать пометки на каждом этапе исследования.

Вопрос: Давайте подумаем, с чего начинается каждое исследование??

Вместе с учениками составляется план исследования объекта на уроке.

3 слайд – План исследования: История > состав > свойства > применение

1 этап – история рождения современных спичек.

По наметкам ученых, огнем научились пользоваться 400 тысяч лет назад. Но уметь пользоваться — одно, иметь огонек всегда под рукой — другое. Сколько слез, наверное, было пролито при утрате живого уголька, искорки. Четыреста тысяч лет тревог и забот об огне. Но недавно у африканского озера Виктория археологи наткнулись на остатки древнего очага, и тот на миллион лет старше ранее найденных!

Вопрос: Как же люди добывали огонь?

4 слайд – добывание человеком огня трением и высеканием.

По историческим меркам, способ консервировать пламя отыскался “вот только что”.

5 слайд – первые химические спички назывались макательными спичками.

Приспособления для получения огня, основанные на химических реакциях, начали делать в конце XVIII в. Это были древесные лучинки, на кончике которых в виде головки закреплялись бертолетова соль (KСlO₃) – взрывчатое вещество и сера. Головка погружалась в серную кислоту, происходила вспышка и лучинка загоралась. Но использовать такие спички было неудобно.

Вопрос: Как вы думаете, почему неудобно было использовать такие спички? В чем состоит это неудобство?

Учитель демонстрирует опыт: действие концентрированной серной кислоты на белок. Объяснение опасности использования серной кислоты.

Это химическое “огниво” можно рассматривать как прародитель современных спичек.

6 слайд – фосфорные спички.

После открытия белого фосфора австриец Ирини в 1833 году ввел его в состав массы спичечной головки. Он предложил предпринимателю Ремеру, способ изготовления спичек: “нужно взять горячего клея, бросить в него кусок фосфора, и сильно взболтать. В горячем клее при взбалтывании, фосфор разобьётся на мелкие частицы. Они так сильно слипаются с клеем, что образуется густая жидкость беловатого цвета. К этой смеси прибавить мелко растёртый порошок перекиси свинца. Всё размешать до тех пор, пока не будет однообразная бурая масса. Приготовить лучинки, концы которых покрыть серой. Сверху серу покрыть слоем фосфорной массы. Таким образом, получаются спички. Они воспламеняются очень легко, стоит только чиркнуть о стенку”.

Вопрос: Почему же эти спички тоже были не совсем удобны?

Эти спички были весьма огнеопасны, поскольку загорались даже от взаимного трения в коробке или о любую твёрдую поверхность, например, подошву сапога. В то время ходил английский анекдот, в котором целая спичка говорит другой, полуобгоревшей: “Видишь, чем заканчивается твоя скверная привычка чесать затылок!”

Ремер построил целые спичечные фабрики и нажил на этом большое состояние. Но при горении спички создавали неприятный запах и главное, их производство было весьма вредно для рабочих. Рабочие подвергались тяжелейшему заболеванию – фосфорному некрозу костей. Прежде всего, некрозу подвергались кости челюстей людей.

Вопрос: Вспомните, чем опасен белый фосфор и почему производство спичек было вредным производством?

7 слайд – Следующим этапом было изобретение безопасных или шведских спичек.

В 1847 г. Шретер открыл красный фосфор (амфорный). Немецкой химик Бетхер (1865год) заменил им опасный белый фосфор.

Он приготовил смесь из серы, бертолетовой соли и клея. Нанес смесь на лучинки, покрытые парафином. Но эти спички невозможно было зажечь о шершавую поверхность. Тогда он придумал смазать бумажку особым составом, содержащим красный фосфор.

Эти спички называли безопасными или шведскими, так как фабричным способом их впервые начали изготавливать в Швеции в 1867. 1869 гг.

2 этап – изучение состава современных спичек.

Ну, а теперь посмотрим, из каких же компонентов состоят современные спички? (из головки и спичечного коробка, головки и терки или намазки). В состав этих компонентов входят вещества окислители, восстановители, наполнители, красители и другие. Эти компоненты представлены на слайде.

6 слайд – состав спичечной головки.

Задание: внимательно прочитайте состав спичечной головки (читают вслух) впишите недостающие формулы в своем блокноте. (Правильность выполнения задания проверяется на слайде). За правильно выполненное задание поставьте себе оценку (За каждую формулу по одному баллу, максимально – 6 баллов).

7 слайд – состав “терки”.

Задание: выполните такое же задание для компонентов терки. Оценки ставьте, не учитывая уже написанные формулы. Вещества, которые входят в состав головки и терки, стоят у вас на столе, кроме бертолетовой соли.

Вопрос: Почему же на столах нет этого вещества? Кто внимательный! (за формулы максимально – 2 балла).

3 этап – изучение процессов, происходящих при горении спичек.

Ну, а теперь давайте займемся исследованием и разберемся, что же происходит со спичками в момент их использования. Посмотрите за моими действиями и сделайте также. Для начала возьмите спичку и медленно проведите по терке спичечного коробка, наблюдая за происходящим.

1. Что наблюдаете? (светящаяся полоса, огонь, дым, запах)
2. Какой процесс происходит первым – физический или химический? (трение)
3. Попробуйте потереть ладошки. Что происходит? (выделение тепла)
4. Почему при проведении спичкой по коробку наблюдается светящаяся полоса? (красный фосфор превращается в белый).

Чтобы вы лучше запомнили этот процесс, посмотрим опыт по превращению красного фосфора в белый (демонстрационный опыт превращения красного фосфора в белый).

5. Почему появился белый дым? Какую формулу он имеет?
6. Откуда берется кислород для окисления фосфора?

Запишите в блокнотах реакции: разложения бертолетовой соли; окисления фосфора (образование дыма); окисления серы (появление запаха); горения древесины на примере углерода (для “продвинутых” ребят можно дать формулу целлюлозы).

Вызвать к доске 4-х человек. Каждую реакцию разобрать с точки зрения ОВР. Проверить результаты на слайде и поставить себе оценки (по 1 баллу за молекулярное уравнение и по 1 баллу за составление электронного баланса, максимально – 8 баллов).

4 этап – применение спичек.

Ну, а теперь, скажите, о каких видах спичек вы ещё знаете?

9 слайд – виды спичек. Демонстрация на слайде.

10 слайд – Но, СПИЧКИ ДЕТЯМ НЕ ИГРУШКА!

Вопрос: Что может произойти при неправильном использовании спичек? Правильно говорят: в маленькой коробочке спрятано сто пожаров.

11 слайд – фото пожара.

Итог урока: Итак, что же мы с вами сегодня изучили?

Если вам понравился урок, и вы хотите продолжить изучение спичек, предлагаю выполнить на ваш выбор одно из домашних заданий в ваших блокнотах.

Учитель просит заполнить раздел блокнота “Размышляем над уроком…”, подсчитать баллы и оценить свое участие в работе на уроке.

Максимальный балл – 16 баллов + (активность).

Источник

22 факта о спичках 1

1.У спичек есть свой праздник – 2 марта отмечается Международный день спички. В ряде европейских стран (в Швеции, Швейцарии и Германии) существуют Музеи спичек. Небольшой музей есть и в России – в Рыбинске.

2.В России словом «спичка» – маленькая спица – изначально называли деревянные обувные гвозди. А средство для добывания огня называли либо «серниками», либо «самогарными спичками».
3.Кроме самых обычных спичек, которые можно приобрести в любом супермаркете, промышленность выпускает еще несколько видов спичек: охотничьи, которые горят долго и не промокают; каминные – около 10 см длиной (чтобы не обжечься при розжиге камина); представительские – в целях рекламы бесплатно раздаются в ресторанах, клубах, отелях, барах и т. д.; ветровые – применяются при ветре до 12 баллов и дожде.

4.Первые спички появились в 1805 году благодаря французскому химику Шанселю. Зажигались они от контакта с серной кислотой. Главным недостатком таких спичек была их небезопасность – они нередко взрывались в руках.

5.Спички, похожие на современные, придумал в 1826 году британский аптекарь Джон Уокер. Перемешивая реагенты деревянной палочкой, Джон случайно чиркнул ею об стол – и палочка загорелась. Произошло это случайно, из-за того что на конце палочки засохло немного химикатов. Хвастаясь своим открытием, Уокер не догадался его запатентовать.

6.Предприимчивый малый по имени Сэм Джонс, присутствовавший на одной из демонстраций Уокера, украл идею и открыл торговлю спичками. Свой товар Сэм продавал под названием «люциферчики». «Люциферчики» Джонса пользовались бешеным спросом – даже несмотря на то, что при зажигании жутко воняли.

7.Чтобы спички не взрывались, в 1830 году француз Шарль Сориа сообразил к традиционным компонентам зажигательной головки – сере и бертолетовой соли – добавить белый фосфор. Однако у 19-летнего химика не было денег, чтобы запатентовать свое изобретение, поэтому идея не была реализована. Двумя годами позже это изобретение повторил немецкий химик Каммерер. Он-то и запустил фосфорные спички в производство.

9.В 1855 году шведский химик Йохан Лундстрем придумал заменить белый фосфор красным, и спички перестали быть ядовитыми. Безопасные спички стали называть «шведскими», а их изобретатель получил золотую медаль Международной выставки в Париже.

10.Спичечный коробок был придуман в 1889 году американцем Джошуа Пьюси, но патент на это изобретение перехватила американская компания Diamond Match Company. У коробка Пьюси и коробка Diamond Match было одно существенное различие: Джошуа разместил терку внутри, а компания – снаружи.

11.Компания Diamond Match первой получила патент на безопасные для здоровья спички. Важность изобретения была настолько велика, что президент США Уильям Тафт публично обратился к владельцам патента и попросил их отказаться от авторских прав. Компания согласилась и 28 января 1911 года отказалась от всех прав на свое изобретение.

12.В России первые фосфорные спички появились в 1836 году. Их привезли из-за рубежа, и стоили они 1 рубль серебром за 100 штук. Впрочем, уже через несколько лет в стране появились свои фабрики, и цена на спички резко упала до 3-5 копеек за сотню.

13.В 1848 году Николай I издал указ, согласно которому разрешалось производить спички лишь в Петербурге и Москве, а упаковывать их – по 1000 штук в жестяные коробки. Указ действовал до 1869 года, когда Александр II разрешил производить «выделку фосфорных спичек и продажу их без особых ограничений».

14.В 1913 году в Российской империи действовали 115 спичечных фабрик, на которых работало около 22 тыс. человек. Советский Союз был одним из крупнейших экспортеров спичек. В 1960-е годы страна вышла на первое место в мире по их производству, а спичечная этикетка стала мощным средством рекламы и пропаганды.

15.В СССР цена спичек была минимальной – 1 копейка за коробок (около 60 штук). Кстати, если под рукой не было линейки, то предметы можно было измерять с помощью спичечного коробка: по советскому ГОСТу, его длина всегда была равна 5 см.

16.Самая большая в Европе спичечная фабрика находится в старинном русском городе Балабаново. Строительство экспериментальной фабрики началось в 1950 году. Ныне фабрика стала закрытым акционерным обществом «Плитспичпром», ее производительность составляет примерно полмиллиарда спичек в год – 11 тыс. ящиков в сутки.

17.Сейчас 99% всех спичек делается из осиновой древесины.

18.Современная спичечная машина длиной 18 м и высотой 7,5 м за восьмичасовую смену производит до 10 млн спичек.

19.Отходы в спичечном производстве составляют до 60%. И только из 40% сырья получаются готовые спички. Но и 60% тоже используются в промышленности – из них делают ДСП и строят дома.

20.Сначала спички упаковывались в деревянные, а потом жестяные коробки, на которые стали клеить этикетки. Это привело к рождению целой ветви коллекционирования – филумении, собиранию спичечных этикеток. Страстными филуменистами были королева Вильгельмина Нидерландская и американский президент Рузвельт.

21.Самую большую в мире конструкцию из спичек, признанную Книгой рекордов Гиннесса, создал британский пенсионер Дэвид Рейнолдс. На необычную конструкцию – копию нефтяной платформы в Северном море – Дэвид потратил около 8 тыс. долларов на клей и более 4 млн спичек. Завершенная модель весит тонну, ее высота – 3,7 м, а длина – 6,4 м.

22.В оригинальную серию скульптур испанского художника Ромуло Селдрана вошли коробок спичек размером 61х76 см и огромная полусгоревшая спичка длиной 96 см.

Источник