История привычных и повседневных вещей таит в себе немало интересного. Мы пользуемся этими вещами ежедневно, не задумываясь о тех плодах научной и инженерной мысли, которые в них заключены. Казалось бы, чего проще и понятнее – бумага, зажигалка, спички, а их создание – это озарения и гениальные догадки ученых разных стран и веков…

Огонь: эволюция использования

Горение – первая химическая реакция, с которой познакомился первобытный человек. Овладение огнем немало способствовало тому, чтобы человек разумный занял господствующее положение на планете. Вероятно, одним из первых религиозных представлений стало поклонение огню. В Индии в древнейших гимнах «Ригведы» воспевается Агни – бог огня, домашнего очага и жертвенного костра, по числу упоминаний он занимает второе место после Индры, главы всех богов. Именно от древнего индоевропейского корня произошли и латинское ignis, и русское «огонь»; этот корень есть во всех славянских языках и не только в них (по-литовски огонь – ugnis, по-латышски – uguns, да и по-английски igneous – огненный). Первый использованный человеком огонь был нерукотворным: его зажгла молния или вулканическая лава.

Вспыхнувшее от удара молнии дерево – редкое явление, поэтому сохранение огня было важным ритуалом. Потеря огня, особенно в холодное время, была почти эквивалентна потере жизни.

В течение многих веков огонь добывали трением, а затем – ударом кресала о кремень. Искры при ударе давал, в частности, минерал пирит, откуда и происходит его название (руг – по-гречески – огонь).

Наконец, зажигалка

В 1770 году была изобретена электрическая зажигалка, в которой струя водорода воспламенялась от искры электрофорной машины. Такая зажигалка могла служить для красивых демонстраций на лекции, но не для использования в быту. Появление зажигалки, какой мы ее знаем, связано с именем немецкого химика Иоганна Вольфганга Дёберейнера. Одно из важнейших его открытий – катализ: способность мелкодисперсной платины (платиновой черни) инициировать протекание ряда химических реакций; при этом сама платина не претерпевает изменений. В 1821 году Дёберейнер обнаружил, что платиновая чернь окисляет пары винного спирта до уксусной кислоты уже при обычной температуре. Через два года он открыл способность губчатой платины при комнатной температуре воспламенять водород. Если смесь водорода и кислорода (гремучий газ) ввести в соприкосновение с платиновой чернью или с губчатой платиной, то сначала идет сравнительно спокойная реакция горения. Но так как эта реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, губка раскаляется, и гремучий газ может взорваться. На основании своего открытия Дёберейнер сконструировал «водородное огниво» – прибор, широко применявшийся для получении огня до изобретения спичек. В нем струя водорода, получаемого действием цинка на раствор серной кислоты, направлялась на мелкодисперсную платину и загоралась.

В 1862 году голландский промышленник Петрус Якоб Кипп сконструировал аппарат для получения водорода, ныне носящий его имя. Эту конструкцию использовали и в водородном огниве: выходящую из аппарата струю водорода направляли на губчатую платину. Придя с ней в соприкосновение в присутствии воздуха, водород воспламенялся. Конечно, аппарат Киппа в карман не положишь, прибор мог быть только стационарным. «Водородное огниво» быстро вытеснило спички.

Альтернативой спичкам служат зажигалки. Раньше их заправляли бензином. Бензин пропитывал фитиль, испарялся, и его пары поджигались искрой, получаемой от трения стального колесика о маленький цилиндрик, сделанный из специального сплава. Этот сплав изобрел австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах, воспользовавшись удивительным свойством церия: если проволоку из этого металла поскрести ножом, то образующиеся мельчайшие пылинки самовоспламеняются на воздухе (такое свойство называется пирофорностью – от греческого – несущий огонь). Ауэр усилил пирофорность церия, сплавив его с другими металлами. Получился сплав, который при ударе или энергичном трении о стальное колесико дает множество искр, и они легко поджигают фитиль. Для зажигалочных кремней оптимален состав: церий – 66%, лантан – 8%, железо – 25%, магний – 0,5%, медь – 0,5%.

Аналогичный сплав на основе церия используется в трассирующих пулях и снарядах.

Бензиновые зажигалки со временем уступили место более удобным газовым. В них под небольшим давлением находится сжиженный газ – бутан или его смесь с пропаном. Механизм поджига прежний: колесико и кремень. В новых конструкциях нет движущихся деталей, зажигание производит тонкая нихромовая проволока, накаляемая током, либо искра, которая проскакивает между двумя электродами. В обоих случаях в зажигалке должен быть источник энергии – батарейка. Альтернатива – пьезоэлектрические зажигалки, которые не требуют дополнительных источников питания: при сжатии некоторых кристаллов в них генерируется высокое напряжение, которое и создает искру. Сравнительно недавно венгерские изобретатели, вспомнив «огниво» Дёберейнера, сконструировали зажигалку нового типа: на выходе струи газа находится платиновая спиралька, которая катализирует реакцию горения. Пламя у новой зажигалки сильное и устойчивое, ему не страшен ветер. Таким пламенем можно не только поджечь сигарету, но и сварить при необходимости тонкую проволоку.

Вмещающая химический завод

Водородное «огниво» Дёберейнера было громоздким и непереносным прибором. В 1831 году французский студент Шарль Сориа, которому тогда было 19 лет, придумал намазывать на деревянные палочки смесь из белого фосфора, бертолетовой соли, растительной камеди и некоторых добавок. Достаточно было чиркнуть такой спичкой о любую шероховатую поверхность (например, о подошву башмака), как повышение температуры в результате трения немедленно вызывало бурную взрывную реакцию, приводящую к воспламенению спички. Однако у Сориа не было денег, чтобы запатентовать свое изобретение, не смог он также наладить массовое производство спичек. Спустя два года это сделал немецкий химик Иоганн Каммерер.

В Россию фосфорные спички впервые попали в 1836 году, и в последний год своей жизни иностранной новинкой в принципе мог воспользоваться А.С. Пушкин. Вскоре в Петербурге была открыта фабрика «по выделыванию зажигательных спичек», а к 1882 году в России было уже 263 спичечные фабрики! В результате цена на спички снизилась в 20 раз.

Однако фосфорные спички были чрезвычайно опасны. И производство, и потребление этих спичек сопровождались многочисленными пожарами и отравлениями. Среди «тургеневских барышень» пользовался популярностью такой способ самоубийства: с головок спичек соскабливался фосфор и выпивался с водой. Известен случай гибели от ожогов женщины, наступившей (!) на фосфорную спичку: от загоревшейся спички вспыхнуло ее платье. В конце концов, фосфорные спички были запрещены почти во всех странах (в России – в 1875 году). Менее опасными оказались «бесшумные» спички, которые изобрел венгерский химик Янош Ирини. Он заменил в головке спички бертолетову соль на менее сильный окислитель – диоксид свинца, и реакция окисления фосфора пошла спокойнее.

Однако любые усовершенствования ничего не могли поделать с ядовитостью белого фосфора. Проблема была решена, когда на смену фосфорным пришли так называемые безопасные (они же шведские) спички. Произошло это только после того, как в 1847 году австрийский химик Антон Шрёттер фон Кристелли обнаружил, что если белый фосфор нагревать в герметичном железном сосуде, он превращается в неизвестную до этого разновидность – красный фосфор. (Шрёттер сделал еще одно замечательное изобретение: он первым рекомендовал дамам использовать перекись водорода для обесцвечивания волос.) Шведские спички были изобретены в 1848 году, однако не шведом, а немецким химиком Рудольфом Бёттгером. Он догадался, что красный фосфор надо отделить от сильного окислителя – бертолетовой соли. Название новые спички получили из-за того, что впервые их массовое производство наладили в 60-е годы XIX века братья Лундстрём в Йенчёпинге на юге Швеции.

В современных спичках красный фосфор входит только в состав намазки на коробке. В намазке находятся также сульфид сурьмы, свинцовый сурик, мел, молотое стекло, костяной клей, некоторые другие вещества. Горючие вещества есть и в спичечной головке – это сера с добавкой сульфида сурьмы или фосфора, а окислителем служит бертолетова соль КСlO3. При трении головки спички о намазку мельчайшие частички красного фосфора на боковой поверхности коробки воспламеняются и поджигают головку спички. Причем, поджигают настолько быстро, что осиновая основа спички не успевает загореться; легче загорается парафин, которым пропитана верхняя часть спички, а горящий парафин уже поджигает древесину. В общем, настоящий химический завод.

Журнал «Химия и жизнь» читала Ольга Тарантина