Еволюція сірники з точки зору хімії, sneg

Вогонь в кишені

Сірники протягом багатьох десятиліть були одним з найважливіших елементів людського життя, та й сьогодні грають не останню роль в нашому повсякденному побуті. Зазвичай, чиркаючи сірником об коробку, ми навіть не замислюємося над тим, які хімічні реакції відбуваються в цю секунду і скільки винахідливості і сил поклали люди, щоб мати такий зручний засіб добування вогню. Звичайні сірники, безсумнівно, належать до найдивовижніших винаходів людського розуму.

Щоб переконатися в цьому, досить згадати, скільки зусиль вимагало розведення вогню в колишні часи. Правда, від стомлюючого способу добування вогню тертям наші предки відмовилися ще в давнину. У середні століття з'явилося для цієї мети зручніше пристосування - кресало, а й з ним розпалювання вогню вимагало чималої вправності і зусиль. При ударі стали об кремінь висікалася іскра, яка потрапляла на труть, просочений селітрою. Труть починав тліти. Приклавши до нього аркуш паперу, стружку або будь-яку іншу розпалювання, роздмухували вогонь. Роздування іскри було найнеприємнішим моментом в цьому занятті. Але чи можна було обійтися без нього?

Трохи історії

Хтось придумав вмочити суху лучину в розплавлену сірку. В результаті на одному кінчику скіпи утворювалася сірчана головка. Коли головку притискали до тліючого труту, вона спалахувала. Від неї спалахувала вся лучинка. Так з'явилися перші сірники.

Треба сказати, що протягом всієї своєї попередньої історії люди намагалися отримати вогонь за допомогою механічних впливів - тертя або удару. При такому підході сірчана сірник могла грати тільки допоміжну роль, оскільки безпосередньо добути вогонь з її допомогою не можна було, адже вона не спалахувала ні від удару, ні від тертя.

Але ось в кінці XVIII століття відомий хімік Бертолле довів, що полум'я може бути результатом хімічної реакції. Зокрема, якщо капнути сірчаною кислотою на хлорноватістокіслий калій (бертолетової сіль), виникне полум'я. Це відкриття дозволило підійти до проблеми добування вогню зовсім з іншого боку. У різних країнах почалися багаторічні дослідження зі створення сірників з кінцем, намазаним тим чи іншим хімічною речовиною, здатним загорятися при певних умовах.

У 1812 році Шапсель винайшов перші самозапалювалися сірники, ще досить недосконалі, проте з їх допомогою можна було добути полум'я набагато швидше, ніж за допомогою кресала. Сірники Шапселя представляли собою дерев'яні палички з головкою з суміші сірки, бертолетової солі і кіноварі (остання служила для забарвлення запалювальної маси в красивий червоний колір).

У сонячну погоду така сірник запалювався за допомогою двоопуклої лінзи, а в інших випадках - при зіткненні з крапелькою концентрованої сірчаної кислоти. Ці сірники були дуже дорогі і, крім того, небезпечні, так як сірчана кислота розбризкувалася при запаленні головки і могла викликати опіки. Зрозуміло, що вони не набули широкого поширення.

Практичнішими повинні були стати сірники з головками, що спалахують при легкому терті. Однак сірка була непридатна для цієї мети. Шукали інше легкозаймиста речовина і тут звернули увагу на білий фосфор, відкритий в 1669 році німецьким алхіміком Брандо. Фосфор набагато більш горючий, ніж сірка, але і з ним не все відразу вийшло.

Спочатку сірники запалювалися з працею, так як фосфор вигоряв занадто швидко і не встигав запалити лучину. Тоді його стали наносити поверх головки старої сірчаної сірники, припускаючи, що сірка швидше загориться від фосфору, ніж деревина. Але ці сірники теж спалахували погано. Справа пішла на лад тільки після того, як стали підмішувати до фосфору речовини, здатні при нагріванні виділяти необхідний для займання кисень.

Зараз вже важко сказати, хто перший придумав вдалий рецепт запалювальної маси для фосфорних сірників. Мабуть, це був австрієць Іріні. У 1833 році він запропонував підприємцю Ремеру наступний спосіб виготовлення сірників:

«Потрібно взяти якогось гарячого клею, найкраще гуміарабіку, кинути в нього шматок фосфору і сильно збовтати склянку з клеєм. У гарячому клеї при сильному збовтуванні фосфор розіб'ється на дрібні частинки. Вони так тісно злипаються з клеєм, що утворюється густа рідина білуватого кольору. Далі до цієї суміші потрібно додати дрібно розтертий порошок перекису свинцю. Все це розмішується до тих пір, поки не вийде одноманітна бура маса. Попередньо треба приготувати сірники, тобто лучінкі, кінці яких покриті сірою.

Зверху сірку потрібно покрити шаром фосфорної маси. Для цього сірники умочують в приготовлену суміш. Тепер залишається їх висушити. Таким чином виходять сірники. Вони спалахують дуже легко. Їх варто тільки чиркнути об стінку ».

Це опис дало можливість Ремеру відкрити сірникову фабрику. Він, втім, розумів, що носити сірники в кишені і чиркати ними об стінку незручно і придумав упаковувати їх у коробки, на одну зі сторін яких клеїли шорстку папірець (готували її просто - умочували в клей і сипали на неї пісок або товчене скло).

При чирканья про такий папірець (або про будь-яку шорстку поверхню) сірник запалала. Налагодивши для початку пробний випуск сірників, Ремер потім розширив виробництво в сорок разів - такий великий був попит на його товар, і заробив на випуск сірників величезні гроші. Його приклад наслідували інші фабриканти, і незабаром у всіх країнах фосфорні сірники стали ходовим і дешевим товаром.

Поступово було розроблено кілька різних складів запалювальної маси. Вже з опису Іріні видно, що в головку фосфорної сірники входило кілька компонентів, кожен з яких виконував свої функції. Перш за все, тут був фосфор, який грав роль воспламенителя. До нього підмішували речовини, що виділяють кисень.

Крім досить небезпечною бертолетової солі в цій ролі могли вживати перекис марганцю або сурик, а в більш дорогих сірниках - перекис свинцю, яка взагалі була найбільш відповідним матеріалом. Під шаром фосфору містилися менш горючі речовини, що передають полум'я від воспламенителя дерев'яної каганці. Це могли бути сірка, стеарин або парафін. Для того щоб реакція не йшла занадто швидко і дерево встигло нагрітися до температури горіння, додавали нейтральні речовини, наприклад, пемзу або порошкоподібна скло. Нарешті в масу підмішували клей, для того щоб з'єднати між собою всі інші компоненти.

При терті головки об шорстку поверхню в місці зіткнення виникала теплота, достатня для запалювання найближчих частинок фосфору, від яких запалали і інші. При цьому маса настільки нагрівалася, що тіло, що містить кисень, розкладалось. Виділявся кисень сприяв займанню легкозагорающегося речовини, яке знаходилося під головкою (сірки, парафіну і т.п.). Від нього вогонь передавався дереву.

Сірник - в маси!

Сірникове виробництво з самого початку набуло великих масштабів, адже річне споживання сірників обчислювалося десятками і сотнями мільярдів штук. Без всебічної механізації тут було не обійтися. Фабрикація сірників ділилася на дві головні операції:

1) виготовлення паличок (спічной соломки),
2) приготування запалювальної маси і Макану в неї соломки.

Найбільш уживаною породою дерева для сірників була осика, а також тополя, верба, сосна, ялина, деревина яких мала міцні прямі волокна. Висушені колоди різали на шматки завдовжки близько 1 м. Кожен шматок розколювали навхрест на чотири частини і знімали з нього кору. Отриманий колода зміцнювали на столярному верстаті і стругали за допомогою спеціального рубанка, робоча частина якого складалася з декількох трубочок, загострених спереду.

При проходженні таким рубанком уздовж дерева виходили довгі круглі або прямокутні палички (в залежності від форми трубочок соломки можна було надати будь-який поперечний переріз). Потім звичайним рубанком згладжували нерівності, що утворилися у вигляді жолобків від вийнятих лучінок, знімали другий шар, знову вирівнювали дерево і так далі. Утворені лучінкі різали на частини, які мають довжину сірники. Цю операцію проводили на верстаті, що мав дуже простий пристрій.

Лучінкі вкладалися в корито і просувалися впритул до регулюючої платівці, а потім за допомогою важеля і ножа відрізали встановлену довжину.

Пора б механізувати процес

Замість ручного стругання дуже скоро стала застосовуватися спеціальна машина. Дерево тут впиралося в кінець станини і оброблялося за допомогою ріжучого пристрою, в якому було кілька загострених трубочок, що вирізують лучину при русі ріжучого пристрою. Для того щоб піддатися обробці на цій машині, колода спочатку розрізали на дошки. Машина ця, втім, мала багато недоліків і давала великий відхід. Тому в подальшому її замінили інші, а сам процес різання лучінок був розбитий на кілька операцій.

Для подальшої обробки соломку необхідно було укласти рівними і паралельними рядами. Для цієї мети теж вживали спеціальну машину. На платформу, яка отримувала швидкі хитні руху, встановлювали перегороджений ящик, причому відстань між перегородками відповідало довжині сірника. При швидкому русі ящика соломки укладалися між перегородками в відділення ящика, а сміття провалювався через його нижні отвори. Потім ящик знімали і перевертали. Соломка залишалася на дошці паралельними рядами і в такому вигляді прямувала в макальної.

Перед умочуванням соломку укладали в спеціальну рамку, що складалася з підстави і двох кріпилися до нього залізних стрижнів, на які надягали дерев'яні дощечки. Поперек дощечок проходили жолобки, розташовані паралельно один одному. Довжина цих жолобків робилася такою, щоб покладена в них соломка виступала приблизно на чверть своєї довжини. Заповнені дощечки надягали на стрижні одна над іншою. Зверху все вони прикривалися дошкою і затискалися клинами. Таким чином виходила рамка, в якій містилося близько 2500 сірників. Надалі ця операція була механізована і виконувалася спеціальною складальної машиною.

Кожну сірник необхідно було вмочати двічі - спочатку в сірку або парафін, а потім в запальну масу. Виготовлення запальною маси було складною справою, що вимагала великої обережності. Особливе значення мало її ретельне перемішування. Для цього кожна складова частина сильно подрібнювалася до порошкоподібного стану. Спочатку обмаківаніе сірників відбувалося вручну за допомогою макальної сковороди.

Макальна сковорода складалася з двох частин: плоскої і поглибленої. Перша робилася трохи більше складальної рами і служила власне для обмакувания в розплавлену масу. Шар її тут був незначний і відповідав висоті парафинированной (або серненой) частини сірника. Друга частина служила резервуаром для маси і сприяла збереженню постійного рівня.

Пізніше була винайдена макальна машина. Вона складалася з чавунного резервуару, оточеного іншим чавунним резервуаром. У зовнішньому резервуарі знаходилася запальна маса. Між обома резервуарами заливалася тепла вода для зігрівання маси. Внутрішній резервуар був закритий з усіх сторін і лише у верхній дошці мав поперечну щілину, в якій містився валик. Обертаючись, валик захоплював своєю нижньою половиною частину маси з резервуара і наносив її на кінці сірників.

Для більшої зручності роботи над верхньою дошкою резервуару була особлива макальна плита, на яку встановлювалася набірна рама і яка легко рухалася над макальним валом за допомогою зубчастих рейок і шестерень, укріплених на осі валика. Над макальним валом містився інший, який служив для рівномірного натискання проходять під ним набраних рам до нижнього валика. З макальної машини складальні рами переносилися в сушильну камеру. Після просушування сірники виймали з набірних рам і укладали в коробки. Довгий час ця робота виконувалася вручну, але потім з'явилися машини і для цієї операції.

Вбивчі сірники стають безпечними

Великим недоліком фосфорних сірників була отруйність фосфору. На сірникових фабриках робітники швидко (іноді за кілька місяців) труїлися парами фосфору і робилися нездатні до праці. Шкідливість цього виробництва перевершувала навіть дзеркальне і капелюшне. Крім того, розчин запалювальної маси у воді давав сильну отруту, якою користувалися самогубці (а нерідко і вбивці).

У 1847 році Шретер відкрив неотруйний аморфний червоний фосфор. З цього часу з'явилося бажання замінити їм небезпечний білий фосфор. Раніше інших це завдання вдалося вирішити знаменитому німецькому хіміку Бетхер. Він приготував суміш з сірки і бертолетової солі, змішавши їх з клеєм, і завдав її на лучину, покриті парафіном. Але, на жаль, ці сірники виявилося неможливо запалити об шорстку поверхню.

Тоді Бетхер придумав змастити папірець особливим складом, що містить деяку кількість червоного фосфору. При терті сірника об таку поверхню частинки червоного фосфору запалали за рахунок торкаються до них частинок бертолетової солі головки і запалювали останню. Нові сірники горіли рівним жовтим полум'ям. Вони не давали ні диму, ні того неприємного запаху, який супроводжував фосфорним сірників. Винахід Бетхер спочатку не зацікавило фабрикантів.

Вперше «безпечні сірники» стали випускати в 1851 році шведи брати Лундстрема. Тому безфосфорних сірники довго називали «шведськими». Після революції 1917 року вУкаіни була навіть жартівлива приказка:

«Сірники шведські, головки радянські!
П'ять хвилин сморід, потім вогонь ».

Як тільки безпечні сірники набули поширення, у багатьох країнах було заборонено виробництво і продаж фосфорних сірників. Через кілька десятиліть їх випуск абсолютно припинився.

Сірник складається з головки і соломки

Головка являє собою суспензію порошкоподібних речовин в розчині клею. У число порошкоподібних речовин входять окислювачі - бертолетова сіль і калієвий хромпик, що віддають кисень при високій температурі, ця температура дещо знижена добавкою каталізатора - пиролюзита.

Віддається окислювачами киснем, а також киснем повітря окислюється міститься в головці сірка, при цьому виділяється сірчистий газ, що надає загорающейся сірнику характерний запах, при горінні головки утворюється шлак з порами, схожий на скло. Короткочасного спалаху головки було б недостатньо для підпалювання соломки. Але парафін, що знаходиться під головкою, при її горінні закипає, його пари запалали, і цей вогонь переноситься на сірникову соломку. Для керування швидкістю горіння в число порошкоподібних речовин введені мелене скло, цинкові білила, залізний сурик.

Сірникова соломка в українських і раніше радянських сірниках найчастіше представляє собою осиковий паличку. Щоб уникнути її тління вона просочується 1,5% -м розчином Н3 РО4.

Намазка сірникової коробки. про яку труть сірником при її підпалюванні, теж є суспензія порошкоподібних речовин в розчині клею. Але склад порошкоподібних речовин дещо іншою. У їх число входить сульфід сурми (III) і червоний фосфор, який при терті головки про намазку переходить в білий фосфор, миттєво спалахує при контакті з повітрям і підпалює головку. Щоб при запалюванні не зайнялася вся намазки, частинки червоного фосфору розділені погано палаючими речовинами - залізним суриком, каоліном, гіпсом, меленим склом.

Склад головки сірника