Добывание огня

Что может быть проще и легче, чем зажечь свечу, лампу, растопить печь? Стоит только чиркнуть спичкой или повернуть колесико зажигалки, и мы уже добыли необходимый огонь. Пламя спички или зажигалки имеет уже достаточную температуру, чтобы прогреть до температуры воспламенения стеарин, впитанный фитилем свечи, керосин на светильне лампы или растопку в печи, а дальше горение идет само собой, за счет выделяющегося тепла, пока не истратится горючее вещество или не прекратится доступ кислорода. Процесс зажигания для нас настолько прост и обычен, что нам даже в голову не приходит, что когда-нибудь могло быть иначе, что добывание огня могло представлять большую техническую трудность, над разрешением которой бились многие поколения людей...

Первым чисто химическим портативным зажигательным веществом был так называемый пирофор. Карбонат калия K₂СО₃, жженые квасцы KАl(SO₄)₂ или смесь обоих веществ перемешивают с мелким порошком угля или сажей и накаливают без доступа воздуха в железной трубке или нагревают продолжительное время в колбе. При этом происходит частичное восстановление калия:

2K₂СО₃ + С = 4K + 3СО₂,

2KАl (SO₄)₂ + C = 2K + SO₂ + СO₂ + Аl₂(SO₄)₃.

Если охлажденную без доступа воздуха смесь высыпать на воздухе, то благодаря быстрому окислению и действию влаги воздуха на мелкораздробленный калий он воспламеняется и может зажечь трут, вату, тряпку и т.п.

Помещенный в герметически закрытые коробочки пирофор служил одно время для добывания огня, но большого распространения не получил.

Мы знаем и ряд других попыток применить для добывания огня химические реакции.

Современник А.Л.Лавуазье французский химик К.Л.Бертолле, открывший хлорат калия KСlO₃, называемый обычно бертолетовой солью, еще в 1806 г. заметил, что эта соль очень энергично реагирует с серной кислотой. Наблюдение было использовано для зажигания французом Жаном Шанселем, приготовившим первые спички. Это были лучинки, на концы которых наносилась смесь бертолетовой соли, серы и других горючих веществ (крахмал, сахар, уголь) с клеем и высушивалась. Если такую спичку обмакнуть в крепкую серную кислоту и сейчас же вынуть, то масса начинает трещать, выделяя характерный запах, и затем вспыхивает, после чего загорается и сама спичка. При этом сначала происходит реакция между серной кислотой и бертолетовой солью, сопровождающаяся выделением непрочного газа ClO₂ и кислорода:

4KСlO₃ + 2Н₂SO₄ = 2K₂SO₄ + 4СlO₂ + 2Н₂O + O₂.

Благодаря выделяющемуся при этом теплу начинается реакция между KClO₃, серой и другими горючими веществами, которые сгорают за счет кислорода бертолетовой соли:

2KСlO₃ + 3S = 2KСl + 3SO₂.

Эти спички являли собой большой шаг вперед. Неудобство их заключалось только в серной кислоте, которая капала со спички при неосторожном обмакивании и портила вещи. Кроме того, хранить ее требовалось хорошо закрытой, и неудобно было носить с собой. Несмотря на это, такие макальные спички получили в начале XIX в. довольно широкое распространение.

Макальные спички пробовали усовершенствовать так, чтобы их можно было носить в кармане. Спичку делали в виде бумажной трубочки, в конец которой помещалась смесь с бертолетовой солью и запаянная в тонкой стеклянной трубочке капля серной кислоты. При разламывании или разбивании стеклянной трубочки смесь воспламенялась и зажигала бумагу. Но это усовершенствование было слишком сложным, спички обходились дорого и не могли получить распространения.

Однако идея спички была уже найдена. Оставалось только добиться ее упрощения, над чем и началась работа изобретателей, которая после многочисленных опытов в разных направлениях привела к старому принципу – добыванию огня трением. Появились в 1832 г. плоские спички со смесью из бертолетовой соли и серы или с сульфидом сурьмы. Спичку вкладывали в сложенный пополам кусочек наждачной бумаги, зажимали между пальцами и затем быстро выдергивали. Благодаря сильному трению смесь на конце спички нагревалась, и спичка загоралась.

Эти спички, однако, представляли некоторую опасность, т.к. воспламенение смеси бертолетовой соли с серой происходит со взрывом, масса часто отскакивала, взрывалась между пальцами и причиняла ожоги. Но сам по себе принцип был верный. Нужно было только придумать смесь, зажигающуюся легче и сгорающую более спокойно.

Такая смесь, содержащая легковоспламеняющийся белый фосфор, бертолетову соль и клей (гуммиарабик), была создана в 1827 г. Она замешивалась с небольшим количеством воды, растиралась, наносилась на спички и высушивалась. Благодаря гуммиарабику получалась плотная масса, и заключенный в ней фосфор не окислялся. К смеси добавлялась для красоты еще какая-нибудь краска. При легком трении о любую твердую поверхность спичка загоралась.

Фосфорные спички обладали уже всеми необходимыми удобствами. Их можно было носить в кармане и легко зажигать без каких-либо приспособлений. С различными усовершенствованиями их начали производить в большом количестве, и они использовались долгое время, пока не были вытеснены еще более совершенными современными спичками.

Один из недостатков первых фосфорных спичек – содержали опасную бертолетову соль и загорались с легким взрывом и слишком легко. Бертолетова соль была сначала заменена оскидом свинца РbО₂ – веществом, также способным отдавать свой кислород, но более прочным, чем бертолетова соль, а затем к оксиду свинца стали подмешивать и более дешевые кислородсодержащие вещества – нитрат свинца Рb(NО₃)₂ и сурик Рb₃О₄.

Еще дешевле оказалась смесь из фосфора, селитры KNО₃ и оксида марганца МnО₂. Последний, как известно, встречается в природе в виде минерала пиролюзита.

Дальнейшее удешевление и усовершенствование зажигательной смеси состояло в том, что гуммиарабик был заменен столярным клеем, благодаря чему головка спички сделалась более прочной и не так легко отскакивала. Кроме того, такая смесь быстрее сохла и после высыхания была менее гигроскопичной. Последнее обстоятельство очень важно, т. к. отсыревшие спички плохо загорались.

Для того чтобы горение головки спички легко и наверняка передавалось дереву, конец спички покрывали сначала слоем серы, а затем уже на нее наносили зажигательную смесь. Отсюда пошло название «серные спички». В России они были в употреблении еще в конце XIX в., имели характерный запах фосфора; черта, проведенная фосфорной спичкой на бумаге, светилась в темноте. Зажигать их можно было трением о любую твердую поверхность. За неимением более подходящего места их зажигали о подошву обуви.

У дорогих сортов спичек дерево пропитывали не серой, а воском, парафином, смолой. Спичка легко загоралась и не имела неприятного запаха сернистого газа.

Кроме указанных выше рецептов приготовления зажигательной смеси испробовали и ряд других, но главным их недостатком было то, что они содержали белый фосфор – слишком легко воспламеняющееся вещество. Спички легко загорались от случайного трения при перевозке и нередко бывали причиной пожаров. Еще один их недостаток заключался в крайней ядовитости белого фосфора. Работа на спичечных фабриках представляла серьезную опасность для здоровья. Рабочие, вдыхавшие пары фосфора, страдали болью в костях, особенно в челюстных, страдания заканчивались омертвением костей и смертью. Кроме того, нередко происходили случаи отравления потребителей от случайно попавшей в пищу спички, от ожогов при воспламенении в руках целой коробочки спичек. Часто отравлялись малые дети, бравшие спички в рот. Одно время спичечные головки были излюбленным ядом самоубийц. В результате во многих государствах изготовление спичек, содержащих белый фосфор, было запрещено законом.

Белый фосфор пробовали заменить безвредным красным, но смесь воспламенялась гораздо труднее, и эти спички не нашли распространения.

Вопрос был окончательно решен лишь в 1855 г., когда появились так называемые безопасные, или шведские, спички. Они отличались тем, что их можно было зажечь трением не о любую поверхность, а только о коробок, покрытый с боков особым составом. Таким образом, они не могли сами воспламеняться. Кроме того, они не содержали белого фосфора и не были ядовитыми. Несмотря на это, спички не сразу вошли в употребление, поскольку люди уже привыкли к спичкам, содержащим белый фосфор и зажигавшимся о любую поверхность.

Главная составная часть головки современной спички – бертолетова соль, которой обычно берется около 60%. Кроме нее в состав входят горючие вещества: обычно сера или какой-нибудь сульфид металла, чаще всего сульфид сурьмы Sb₂S₃. Для замедления горения и предупреждения взрыва добавляется порошок стекла или кремнезема SiO₂, умбра и т.п., а в качестве связующего материала – клей. Бертолетова соль иногда частично заменяется другими веществами, содержащими кислород, например дихроматом калия.

В состав смеси, покрывающей бока коробки – «шкурки», входит красный фосфор, к которому добавляется оксид марганца или серный колчедан, а также толченое стекло и клей.

При трении спички о коробку фосфор в месте соприкосновения загорается за счет кислорода бертолетовой соли (смесь этих веществ очень опасное взрывчатое вещество, взрывающееся со страшной силой от удара и трения). Благодаря этой местной вспышке горение передается головке, и она вспыхивает. Сгорает сульфид сурьмы или сера за счет кислорода бертолетовой соли. Горение передается покрывающему конец спички слою серы или, в хороших сортах, парафина, а затем загорается и дерево.

При зажигании часть красного фосфора на коробке превращается, по-видимому, в белый, т.к. спичка оставляет на коробке след, светящийся в темноте. Однако горение фосфора дальше не распространяется благодаря примеси посторонних веществ.

Существует целый ряд различных других рецептов приготовления состава для головок шведских спичек и состава, которым покрываются коробки, но неизменными составными частями их является бертолетова соль и красный фосфор.

Однако шведская спичка, зажигающаяся только о коробку, не единственная безопасная. Кроме такой спички придуманы и другие, не содержащие ядовитого белого фосфора, безопасные и в то же время зажигающиеся о любую поверхность. Это спички, в состав головки которых вместо фосфора входит соединение серы с фосфором, имеющее состав P₄S₃. Это желтое кристаллическое вещество, получаемое соединением серы с красным фосфором, неядовитое и с температурой воспламенения около 100 °С. Смешанное с бертолетовой солью, оксидами железа и цинка, толченым стеклом и клеем, оно дает хорошо загорающуюся и безопасную зажигательную смесь, воспламеняющуюся при трении о любую поверхность.

Наряду с усовершенствованиями зажигательной смеси спичек шло и усовершенствование способов изготовления самой спичечной лучины и коробок. Для первых, макальных, спичек лучину строгали ножом. Затем был придуман особый струг, который значительно ускорял работу. В настоящее же время существует целый ряд специальных машин. Из куска бревна (обычно применяется осина) сначала режется деревянное полотно: деревянный цилиндр вращается около оси, и стальной нож срезает с него слой толщиной в спичку так, как мы это делаем, когда снимаем кожу с огурца или яблока. Затем другая машина разрезает полученное полотно на спички и т.д.

Спичечная соломка вставляется машиной в отверстие стальных полос, соединенных в бесконечное полотно. Оно движется, огибая ряд колес, при помощи которых спичка передвигается от одной стадии производства к другой. Полный оборот лента совершает за 45 минут. Готовые спички выталкиваются из своих гнезд железной полосой с рядом игл. Спички падают в желоб, из которого попадают в коробки. Освободившиеся отверстия сейчас же автоматически заполняются соломкой, которая опять передвигается и постепенно превращается в готовые спички и т.д.

Каждая машина дает несколько миллионов спичек в день. Такие цифры нас не должны удивлять, т.к. расход спичек громаден. Если предположить, что на одного человека тратится в день пять спичек, и считать, что на земном шаре около 1 769 000 000 человек могут пользоваться спичками, то это составляет 3 228 425 000 000 спичек в год. Если все эти спички положить одну за другой в линию, то ее длина будет больше расстояния от Земли до Солнца. Чтобы изготовить это количество спичек, нужно срубить не менее 12 млн осин, иными словами, вырубить около 450 тыс. га осинового леса.

Материал подготовил П.А.КОШЕЛЬ