Матеріал для позаурочного заходу

Його величність ‒ сірник.

Щодня всім нам доводиться використовувати значну кількість хімічних реакцій. Але є серед них така, яка відіграла величезну роль у формуванні людського суспільства. Це ‒ хімічна реакція, що породжує фізичне явище, відоме як вогонь.

Здатність здобувати вогонь — одна з ключових переваг, яка дозволила прадавнім людям піднятися над тваринами,  вижити в несприятливих умовах та створити основу для сучасної цивілізації.  Розпалити вогонь спершу було досить нелегкою справою, тому люди довго намагалися вдосконалити цей процес. Лише в XIX столітті з’явилися сірники — в тому вигляді, до якого ми всі звикли.  Це такі собі «чарівні палички», які настільки міцно закріпилися у нашому побуті, що, здається, без них уже ніяк.

 Попри вражаючі технологічні досягнення, без сірників важко уявити наш побут, вони досі залишаються незамінними. Сірники як джерело вогню дешеві, їх легко взяти з собою будь-куди. Цій корисній речі навіть присвячено спеціальне свято, яке відзначають 2 березня — Міжнародний день сірника.

Та, виявляється, знаємо ми про сірники надзвичайно мало.

На думку науковців, людство отримало владу над вогнем приблизно мільйон років тому, але особливого значення це набуло в період неоліту. Тоді наші далекі предки почали займатися землеробством та засівати землю зерновими культурами. Щоб створити поля, людям часто доводилося випалювати лісисту місцевість.

Спершу вогонь здобували за допомогою тертя двох сухих шматків дерева один об один. Поступово дерево нагрівалося і після довгих та старанних зусиль нарешті починало тліти. Попри всі труднощі процесу, вогонь, отриманий таким природним способом, назвали «живим». Навіть у більш пізні часи язичники застосовували саме цей метод здобування вогню для своїх обрядів.

Згодом люди звернули увагу на таку поширену мінеральну речовину, як кремінь. Вдаряючи кременем об кремінь, можна висікти маленьку іскру, а значить, і підпалити  нею якусь дуже суху рослинну субстанцію, наприклад, мох, гриб-трутовик, волокна льону чи бавовни. Матеріали, які підпалювали іскрою, отримали спільну назву трут — від назви гриба-трутовика.

Пізніше виявилося, що від ударів по кременю залізом іскри висікати набагато легше, і цей шматок заліза назвали кресалом. Сформувався набір з трьох предметів — кремінь, трут і кресало. Цей набір  широко використовувався  для здобування вогню досить довго — до кінця XVIII – початку XIX століття, а принцип його дії досі застосовується в сучасних запальничках

Перші  сірники  появились  у  Китаї  в  577  році.  У  Європі  перші відомості

про  сірники датуються 1530 роком.  Їх завезли з Китаю мандрівники. Це були тонкі дерев’яні тріски, кінчики яких просочували звичайною чистою сіркою. Запалювали їх не шляхом чиркання (тертя), а дотиком з тліючим трутом. Саме з того часу починається ера такої звичної для нас речі, як сірники. До речі, саме звідси в українську мову прийшло слово «сірник» – паличка, просочена сіркою.

А от першим мануфактурним (промисловим) зразком сірників стали сірники Шанселя та Уокера. У 1805 році їх розробив французький хімік Жан Шансель. Це були дерев’яні палички з голівкою, яка складалася із суміші сірки, бертолетової солі (калій хлорату) та кіноварі (меркурій(ІІ) сульфіду) з концентрованою сірчаною кислотою. Ці сірники були незручними, оскільки для їх використання людині необхідно було завжди мати з собою скляну ємність з небезпечною кислотою. 

У 1826 році англійський фармацевт Джон Уокер розробив іншу рецептуру сірників. Голівки в сірниках Джона Уокера складалися із суміші сульфіду сурми, бертолетової солі та гуміарабіку (камеді – в’язкої рідини, що виділяється акацією). Під час тертя такого сірника об наждачний папір (терку) або іншу досить шорстку поверхню його голівка легко запалювалася.

Винахід мав неприємний запах та  міг спалахнути випадково — наприклад, від удару.

 Сірники Уокера були довжиною (за різними даними) 2½ або 3 дюйми. Вони пакувалися в олов’яні пенали, що містили 84 сірники та лист наждачного паперу.

У 1830 році французьким хіміком Шарлем Соріа були винайдені фосфорні сірники, що складалися із суміші бертолетової солі (калій хлорату, KClO₃), білого фосфору та клею. Ці сірники були дуже вогненебезпечними, оскільки могли спалахнути навіть від взаємного тертя у коробці або під час тертя об будь-яку тверду поверхню. Сірники Соріа не мали запаху, проте були небезпечні для здоров'я, оскільки білий фосфор дуже отруйний. Найбільше страждали робітники на сірниковому виробництві, у яких від дії фосфору виникало специфічне захворювання кісток щелепи. 

 Цим користувалися багато самогубців для зведення рахунків із життям; вони знімали намазку з голівок сірників і ковтали її.

Але все ж таки основним недоліком сірників і Уокера, і Соріа була нестабільність запалювання – час горіння голівки був дуже малим.

Вихід знайшовся у винаході фосфорно-сірчаних сірників, голівку яких виготовляли у два етапи. Спочатку заготовку вмочували у суміш сірки, воску або стеарину, невеликої кількості бертолетової солі та клею, а потім у суміш білого фосфору, бертолетової солі та клею. Загоряння фосфору запалювало суміш сірки і воску, яка горіла більш повільно і від неї загорялося тіло сірника. Але й ці сірники залишалися небезпечними не лише під час виробництва, а й за використання – погашені сірники продовжували тліти, що призводило до частих пожеж. Цю проблему вдалося вирішити, просочивши деревину сірника амоній дигідрогенфосфатом (NH₄H₂PO₄). Такі сірники стали називати імпрегнованими (англ. impregnated – просочені) або, пізніше, безпечними. Для стабільного горіння сірник стали просочувати воском або стеарином (пізніше парафіном).

У Відні у 1836 році австрійський хімік, професор Віденського політехнічного інституту Пауль Троттер Майснер винайшов фосфорні сірники, що стало значним прогресом. Його сірники теж мали декілька істотних недоліків: так, від тертя вони могли самозайматися, а якщо й горіли, то з великим полум'ям, розкидаючи в різні боки іскри та залишаючи опіки на руках та обличчі.

Один із учнів Майснера, Янош Ірині, вирішив покривати сірникові голівки окремим шаром діоксиду свинцю. Так з’явилися сірники, схожі на сучасні зразки – вони безшумно горіли, не вибухали і запалювалися простіше порівняно з іншими зразками.

У 1847 році Шреттер відкрив неотруйний аморфний червоний фосфор. З цього часу з’явилося бажання замінити ним небезпечний білий фосфор.

Тривалий час сірники в Європі називали «шведськими». А все тому, що у 1855 році хімік Йохан Лундстрем зі Швеції наніс червоний фосфор на поверхню наждачного паперу невеликої коробочки і додав той же фосфор до складу голівки сірника. Оскільки червоний фосфор набагато менш отруйний, ніж білий, сірники Лундстрема мали приголомшливий успіх. Запатентовані ним «шведські сірники» нарешті були безпечними й надійними, бо легко займалися від тертя, але майже ніколи — самовільно. Відтоді сірники з білого фосфору стали поступово забороняти в усіх країнах.

Минуло ще довгих 34 роки, перш ніж людство здогадалося складати сірники у коробки, на бік яких нанесена запалювальна суміш. Так поступово набрало обертів використання сірників.

Патент на кухонні сірники, які мали двошарову голівку і запалювалися об будь-яку тверду поверхню, отримав Ф. Фарного у 1888 році. Однак,  виготовляти їх почали тільки в 1905 році. До складу голівки таких сірників входив хлорат калію, клей, каніфоль, чистий гіпс, білий і кольоровий пігменти і трохи фосфору. Прошарок на кінчику голівки, який наносився при другому змоченні, складався з фосфору, клею, кременю, гіпсу, оксиду цинку і барвника. Ці сірники запалювалися абсолютно безшумно, причому можна було не боятися того, що відлетить палаюча голівка.

Здебільшого сучасні сірники виготовляють у вигляді дерев’яної палички (соломки) з голівкою, для запалювання якої використовується тертя об намазку (терку), яка нанесена на боки сірникової коробки.

У якості деревини для виготовлення сірників, як правило, використовується осика і іноді липа.

Згоряння сірників – непростий процес. Наприклад, необхідно, щоб під час горіння утворювався залишок, який би не тлів і на ньому повинен триматися шлак від згорілої голівки. Для усунення тління і закріплення шлаку соломку просочують речовинами, які під час горіння утворюють на її поверхні плівку. Завдяки цій плівці припиняється горіння сірникового залишку. Вона ж закріплює шлак від голівки. У якості протитліючих речовин використовують фосфатну кислоту або амонію гідрогенфосфат (NH₄)₂HPO₄.

Для забезпечення ефективного переходу полум’я від голівки до соломки останню біля голівки просочують розтопленим парафіном. Парафін легко спалахує і дає яскраве полум’я, що важливо, якщо сірник використовують як джерело світла. Крім того, він має велику теплотвірну здатність, безпечний у зберіганні, не виділяє під час горіння кіптяви, диму або шкідливих газів.

Сучасні голівки сірників є багатокомпонентними системами. До їх складу входять: окисники (KClO₃, K₂Cr₂O₇, MnO₂), які дають кисень, необхідний для горіння; горючі речовини (сірка, тваринні та рослинні жири, сесквісульфід фосфору P₄S₃); наповнювачі – речовини, які усувають вибуховий характер горіння голівки (дроблене скло, Fe₂O₃); склеювальні речовини (клеї), які одночасно є горючими; стабілізатори кислотності (ZnO, CaCO₃); речовини, які забарвлюють сірникову масу у певний колір (органічні та неорганічні барвники).

Цікаво, що температура горіння сірникової голівки досягає 1500 ^оС, що вище за температуру плавлення, таких металів, як алюміній, срібло, мідь, а от температура їх запалювання лежить в межах 180–200 ^оС.

Фосфорна маса (намазка або терка) теж є багатокомпонентною. Її наносять на бічні сторони сірникової коробки. До складу намазки входять: червоний фосфор, стибій(ІІІ) сульфід Sb₂S₃; залізний сурик Fe₂O₃, піролюзит MnO₂, CaCO₃, клей.
Вважають, що під час тертя голівки об намазку тепловий імпульс направлений в основному не на нагрівання запалювальної суміші до температури запалювання, а на сублімацію червоного фосфору. У результаті сублімації червоного фосфору утворюється білий, який за контакту з киснем повітря легко спалахує з виділенням великої кількості тепла.

Типи сірників: запалювальні та спеціальні.

1. Запалювальні сірники поділяються на:

Безпечні сірники — це сірники, які загоряються лише за допомогою тертя об спеціальну намазку на коробці, що містить хімічні речовини, здатні ініціювати реакцію запалювання.
Всюдизапальні сірники — це сірники, які можуть загорітися від тертя об будь-яку шорстку поверхню. Вони містять у головці сульфід фосфору, що сприяє запаленню при терті. Іноді до складу головки додають речовини, які знижують водопроникність, наприклад, параформальдегід або танін, що застосовуються в умовах гарячого вологого клімату.
Запалювальні сірники можуть бути виготовлені з деревини чи картону. У країнах Європи зазвичай виготовляють сірники з дерева або квадратної форми, а в США та Англії — з картону. Іноді також випускають воскові сірники.

2. Спеціальні сірники — це сірники, що мають спеціальні властивості

Наразі існує близько сотні видів сірників.

Крім звичайних (побутових) сірників, виготовляються:

термічні сірники — дають під час горіння високу температуру, що може бути корисно в певних умовах;

мисливські (чи штормові)  ‒ стійкі до вологи і можуть горіти навіть на вітрі чи під дощем, що робить їх корисними в екстремальних умовах;

сигнальні сірники — утворюють яскраве кольорове полум'я при горінні, що використовується для подачі сигналів;

фотографічні сірники — замінюють магній при фотографуванні, маючи здатність створювати яскраве світло;

сигаретні ‒ для розкурювання сигар;

 камінні ‒ дуже довгі сірники, щоб запалювати каміни;

декоративні (в основному для колекціонерів), ‒ випускаються обмеженим тиражем з різними малюнками на коробках (подібно до поштових марок) та інші.

Окрім використання сірників за прямим призначенням — для розпалювання вогню, цю річ ми часто використовуємо і в інших ситуаціях, часто навіть не замислюючись над цим.

      Ось лише кілька прикладів :

– замість рахункових паличок для навчання дітей;

‒ як умовна грошова одиниця при різних карткових та інших іграх;

 ‒ для виготовлення сірникових будиночків та інших споруд;

‒ для жеребкування;

‒ для різних логічних ігор;

‒ як зубочистки та основи для ватної палички;

‒ як реквізит для фокусів…

Майстрування з сірників — цікаве хобі, яким захоплюються досить багато людей.  Вони створюють справжні витвори мистецтва: це картини та ікони, причому кольорові, різні скульптури, меблі, кораблі, різні предмети, будинки, транспортні засоби, що рухаються, — фантазія тут практично не обмежена. 

       Сірники мають не лише свій день в історії, а й кілька музеїв. Один з найбільших  у Швеції. Саме там у 19 столітті виготовляли найбільше сірників. У музеї велика колекція етикеток і коробок, деякі з них доволі цінні, оскільки мають зображення усіх найважливіших подій і дат тих часів. Такі музеї створені в Польщі, Швеції, Німеччині та Швейцарії. В Україні є музей сірникових коробок та етикеток, який знаходиться в Харкові.

Незважаючи на солідний вік сірники, як мобільний засіб одержання вогню і до тепер не втратили своєї популярності. Їх широко використовують як у розвинених, так і у бідних країнах. Світове виробництво сірників складає біля 30 млрд. коробок. Враховуючи, що на виготовлення однієї коробки витрачається біля 1 г сірникової маси, стає зрозумілим, що її витрати у світовому масштабі складають десятки тисяч тон на рік.

Варто відмітити, що реакції, які відбуваються під час згоряння сірника, – одні з найбільш бурхливих і небезпечних хімічних процесів. Тому хімічне виробництво сірників (які хоча й називаються безпечними) вимагає пильного та поважного ставлення та не прощає недбалості.

Так, здається, що сірник — це дуже простий предмет, але насправді він є результатом комплексних наукових процесів, що базуються на знаннях фізики та хімії. Він демонструє, як за допомогою простих фізичних принципів можна досягти чудового результату — створення вогню.