Юрий Кукушкин - Химия вокруг нас
Поваренная соль является важнейшим сырьем химической промышленности. Из нее получают соду, хлор, хлороводородную кислоту, гидроксид натрия, металлический натрий.
При изучении свойств почв ученые установили, что, будучи пропитанными хлоридом натрия, они не пропускают воду. Это открытие было использовано при строительстве оросительных каналов и водоемов. Если дно водоема покрыть слоем земли, пропитанной NaCl, то утечки воды не происходит. Для этой цели, конечно, применяют техническую соль. Строители используют хлорид натрия для устранения смерзания зимой земли и превращения ее в твердый камень. Для этого участки грунта, которые планируется вынимать, осенью густо посыпают NaCl. В этом случае в сильные морозы данные участки земли остаются мягкими.
Химики хорошо знают, что смешением мелкоизмельченного льда с поваренной солью можно получить эффективную охлаждающую смесь. Например, смесь состава 30 г NaCl на 100 г льда охлаждается до температуры — 20°C. Это происходит потому, что водный раствор соли замерзает при отрицательных температурах. Следовательно, лед, имеющий температуру около 0°C, будет плавиться в таком растворе, отнимая теплоту от окружающей среды. Это свойство смеси льда и поваренной соли могут с успехом использовать также и домохозяйки.
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).
