Ода обыкновенной спичке

Сценарий внеклассного мероприятия

 

Химия – это область чудес,
в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут
сделаны именно в этой области…

М.Горький

Вступительное слово

Учитель. Человек познакомился с химией на заре своего существования. Сознательно зажженный костер – это первая химическая реакция, первый шаг на необозримо длинном пути к овладению одной из замечательных наук о природе. И разве не символично, что химия впервые предстала перед человеком в образе беспрестанно изменяющегося, бесконечно разнообразного, завораживающего пламени!

Наш далекий предок и не подозревал о необъятных силах химии как науки. То, что когда-то казалось абсолютно невероятным, совершенно немыслимым, стало обязательным атрибутом ХХI в. Где бы ни находился человек – глубоко под землей или в космосе, на теплоходе или в автомобиле, на заводе или в больнице, в магазине или на собственной кухне, – везде химия приходит на помощь, везде оказывает неоценимые услуги.

Более трехсот лет отделяют нас от того момента, когда гамбургский алхимик Хенниг Бранд открыл новое вещество, которое светилось без подогрева. Это был фосфор, и его необычным свойством Бранд не замедлил воспользоваться. Он стал показывать фосфор различным привилегированным лицам, получая от них подарки и деньги. На сегодняшний день доказано, что фосфор широко распространен в земной коре и обнаружен во всех органах зеленых растений.

Главные потребители фосфора – производство спичек, металлургия, различные химические предприятия.

Подсчитано, что мировое производство спичек составляет 35 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.

Сегодня мы с вами поговорим об этой маленькой спичке, которая совершенно необходима для жизнедеятельности любого человека. В наш век информационных технологий и высоких достижений в каждом доме по-прежнему есть коробок спичек, без которого современный человек не может обойтись.

Цель нашего сегодняшнего занятия:

• узнать способы добывания огня, совершив экскурс в историю;

• выяснить основы технологических процессов, применяемых для изготовления спичек;

• познакомиться с различными видами и назначением получаемого продукта;

• провести опыты, подтверждающие свойства фосфора и его соединений, используемых в данном производстве.

Экскурс в историю

Сообщения учащихся

1-й учащийся. 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 °С. Понятно, какие колоссальные мускульные усилия необходимо приложить для локального разогревания древесины до такой температуры, и тем не менее в свое время овладение этим способом было величайшим достижением. С появлением огня жизнь человека в меньшей степени стала зависеть от климата, а значит, расширилось пространство для существования человеческого племени.

Поскольку способы получения огня были несовершенны и трудоемки, 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 KClО₃) и сера. Головка погружалась в серную кислоту, происходила вспышка, и лучинка загоралась. Человек был вынужден хранить в доме серную кислоту и обращаться с этим опасным веществом, что было крайне неудобно. Тем не менее это химическое «огниво» можно рассматривать как прообраз современных спичек.

2-й учащийся. В начале XIX в. немецкий химик И.Деберейнер изобрел более совершенное, но и более сложное огниво. Им было установлено, что струя водорода, направленная на губчатую платину, играющую роль катализатора, воспламеняется на воздухе. Для использования этого источника огня в быту им был создан небольшой стеклянный прибор (по типу аппарата Кипа). Водород образовывался при взаимодействии металлического цинка с серной кислотой. 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.

Важнейшим этапом на пути к современным спичкам было введение в состав массы спичечной головки белого фосфора (1833). Такие спички легко зажигались от трения о любую шероховатую поверхность. Однако их горение сопровождалось появлением неприятного запаха, и главное, производство спичек было весьма вредно для рабочих. Вдыхание паров белого фосфора приводило к тяжелейшему заболеванию – фосфорному некрозу костей. Прежде всего некрозу подвергались кости челюстей людей, т.к. фосфор проникал в них 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 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, т. к. фабричным способом их впервые начали изготавливать в Швеции в 1867–1869 гг.

Демонстрация опыта
«Превращение красного фосфора в белый»

Соскоблить смесь, содержащую красный фосфор, с боковых поверхностей двух-трех спичечных коробков (стараясь не захватить материал упаковки) и поместить на дно тонкой пробирки. Вставить стеклянную палочку длиной чуть больше пробирки и осторожно нагреть фосфор, стараясь не нагреть остальную часть сосуда. При 296 °С красный фосфор превращается в белый, который конденсируется в виде желтых маслянистых капель на стеклянной палочке и более холодных стенках пробирки. После появления капель белого фосфора нагревание следует прекратить и вынуть палочку из пробирки. На воздухе белый фосфор самовоспламеняется и сгорает ярким пламенем с выделением белого дыма – оксида фосфора Р₂О₅. Необходимо подержать над горящим фосфором влажную индикаторную бумажку, изменение цвета которой укажет на кислотные свойства оксида Р₂О₅.

3-й учащийся. В России первая спичечная фабрика была зарегистрирована в 1837 г., через семь лет их было уже восемь. В 1848 г. преподаватель химии Петербургского практического технологического института И.Н.Витт писал, что «все прежде употребительные огнивы разных устройств ныне оставлены, потому что промышленность в новейшее время так удачно умела воспользоваться 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».

Учитель (задает вопросы учащимся).

• Какие способы добывания огня использовал первобытный человек? В чем помог огонь первобытным людям?

• Какие способы получения огня, основанные на химических реакциях, вы можете назвать?

• Как работало огниво Деберейнера?

• Введение какого химического элемента в состав массы спичечной головки стало важнейшим этапом на пути производства спичек? Что было применено для перехода от опасного производства к менее вредному?

• Когда была зарегистрирована первая спичечная фабрика в России?

Технология изготовления спичек

Учитель. Наши гости – представители одной из спичечных фабрик (учащиеся класса) – кратко и доступно расскажут о данном производстве спичек.

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

В качестве основного сырья для изготовления спичечной соломки используют главным образом осину, реже липу. Для этого с круглого, очищенного от коры бревна 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. Тлеющий уголек от соломки, естественно, представляет пожарную опасность. Для устранения тления соломки и закрепления шлака соломку пропитывают веществами, образующими на ее поверхности при горении пленку. Благодаря этой пленке прекращается сгорание угля. В качестве противотлеющих веществ используют фосфорную кислоту и ее соль – фосфат аммония.

Для обеспечения эффективного перехода пламени от головки к соломке последняя около головки пропитывается расплавленным парафином. Если этого не делать, то спички 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, безопасен при хранении спичек, не выделяет при горении копоти, дыма или вредных газов.

Главный технолог. Я расскажу о составах головки спички и терочной массы. 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 (KСlО₃, K₂Сr₂О₇, MnО₂), дающие кислород, необходимый для горения;

• горючие вещества (сера, сульфид фосфора P₄S₃ и др.);

• наполнители – вещества, предотвращающие взрывной характер горения головки (измельченное стекло);

• склеивающие вещества (животные и растительные клеи), которые одновременно являются и горючими;

• стабилизаторы кислотности (ZnO, СаСО₃ и др.);

• вещества, окрашивающие спичечную массу в определенный цвет (органические и неорганические красители).

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

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(III), железный сурик Fe₂O₃, пиролюзит MnО₂, мел СаСО₃, 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.

Вопрос учащимся. Опишите условия и признаки данной реакции. Почему она является экзотермической?

Одним из важных показателей качества спичек является легкость воспламенения головки спички. Этот показатель, называемый чуткостью спичек, должен 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.

Опыт «Иерусалимское чудо». Рассказывают, что во время пасхального богослужения в иерусалимском храме произошло чудо: как только священник произнес фразу «Христос воскрес!», свечи в подсвечниках, которые находились в его руках, мгновенно вспыхнули. А вы не хотели бы повторить это чудесное явление?

Для этого необходимо смочить фитиль свечи раствором белого фосфора в сероуглероде, который представляет собой бесцветную, легко испаряющуюся жидкость. Как только сероуглерод испарится, на фитиле останутся лишь кристаллики белого фосфора, а он, как мы знаем, имеет способность самовоспламеняться на воздухе. Наша свеча загорелась «сама собой».

Специалист по связям с общественностью. 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.

Особым сортом спичек являются ветровые. Они позволяют использовать пламя при силе ветра 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, а для усиления ветроустойчивости – нафталин.

При изготовлении влагоупорных спичек их головки покрывают нитроцеллюлозной пленкой.

Следует отметить, что реакция, протекающая при сгорании головки спички, – один из наиболее бурных и опасных химических процессов. Поэтому производство спички (хотя и называемой безопасной) требует к себе внимательного отношения.

Специалисты (ребята) задают учащимся вопросы, имеющие отношение к основам производства, и предлагают выполнить следующее задание – головоломку.

Головоломка «Химические полоски»

Перед вами 8 полосок с написанными на них буквами (см. с. 26). Попробуйте переставить буквы таким образом, чтобы в полосках читались названия химических веществ или химических процессов, имеющих отношение к данной теме. Прочитав все 8 слов, постарайтесь объяснить их значение и рассказать о практическом применении.

Подведение итогов

Учитель. После изучения данного материала, возможно, многие из вас, беря в руки обыкновенную спичку, будут относиться к ней более уважительно. Ведь в ней сосредоточена не только большая энергия, но и опыт многих поколений, а также труд многих людей. Следует помнить о пожарной безопасности при работе с огнем, о необходимости осторожного обращения с обыкновенной спичкой, газовой горелкой, зажигалкой и другими пожароопасными предметами быта и производства для предотвращения возникновения пожаров и непредвиденных, зачастую неприятных ситуаций с тяжелыми последствиями.

Н.Ю.КЕТОВА,
учитель химии вечерней школы № 27
Ленинск-Кузнецкой воспитательной колонии
(г. Ленинск-Кузнецкий, Кемеровская обл. )