История одной смеси

Клод Луи Бертолле (1748–1822) — французский химик. На его счету: состав аммиака, болотного газа, синильной кислоты, сероводорода. Открыл соли хлорноватистой и хлорноватой кислот, нитрид серебра, метод окислительно-восстановительного титрования. Полагал, что элементы могут соединяться друг с другом в любых пропорциях. В начале XX века Н.С. Курнаков открыл существование предвиденных Бертолле веществ переменного состава, которые назвал бертоллидами

С чего начинались спички

В 1786 году французский химик Клод Луи Бертолле открыл новую соль, образующуюся при пропускании хлора через горячий раствор гидрооксида калия, — КСlO₃:

3Cl₂ + 6KOH = KClO₃ + 5KCl + 3H₂O.

Впоследствии хлорат калия назвали его именем. Соль оказалась сильным окислителем. В 1788 году Бертолле предложил заменить дефицитную калиевую селитру в черном порохе новым соединением. Такой порох состоял из 75% KClO₃, 12,5% серы и 12,5% угля. Новый окислитель увеличил силу взрыва пороха, но смесь была чрезвычайно чувствительна к трению и удару, и на заводе, где попытались сделать новый порох, произошел взрыв. Правда, это не остановило разработку новых составов.

В 1789 году французский химик и фармацевт Бертран Пеллетье открыл свойство горючих смесей с бертолетовой солью (содержащих сахар, крахмал, серу, канифоль и так далее) воспламеняться от капли концентрированной серной кислоты. Дело в том, что при реакции хлората калия с серной кислотой при комнатной температуре выделяется двуокись хлора — неустойчивый зеленовато-желтый газ, обладающий сильными окислительными свойствами: 

3KClO₃ + 2H₂SO₄ = 2KHSO₄ + KCIO₄ + 2ClO₂ + H₂O.

При соприкосновении с ним моментально самовоспламеняются многие горючие вещества. Наиболее известная смесь содержит 2,86 весовые части бертолетовой соли и одну часть сахара. Она очень быстро сгорает красивым фиолетовым (из-за содержания калия) пламенем.

Французский химик Жан-Жозеф-Луи Шансель в 1805 году нашел практическое применение этой реакции — сделал химические спички, их называли «зажигательные машины Шанселя». Это были тонкие лучинки, один конец которых был покрыт смесью серы, бертолетовой соли, сахара и гуммиарабика (смолы растительного происхождения). Зажечь такую спичку можно было, окунув на мгновение ее головку в концентрированную серную кислоту. Воспламенение сопровождалось шипением, треском, дымом и яркой вспышкой.

В 1811 году химик из Тюбингена К. Вагеманн усовершенствовал способ зажигания этих спичек — он стал использовать пропитанный серной кислотой асбест. В этом случае воспламенение происходило более спокойно.

В 1828 году предприниматель Сэмюэль Джонс наладил производство спичек, которые получили название «Спички Прометея», или «Дьявольские спички Джонса». Это были полоски из плотного картона, внутри которых были вклеены трубочки из бумаги, покрытой смесью бертолетовой соли и сахара. А уже внутри трубочки — маленькая стеклянная ампула с серной кислотой. Спичка загоралась, когда ампулу раздавливали специальными щипчиками. Однако горение было слишком бурным, часть серной кислоты разбрызгивалась.

Именно о таких спичках писал в 1832 году Чарлз Роберт Дарвин в своем дневнике о путешествии на корабле «Бигль». Дело происходило в Уругвае: «У меня были прометеевы спички, которые я зажигал, надкусывая. То обстоятельство, что человек может добывать огонь при помощи своих зубов, казалось таким чудом, что люди целыми семьями сбегались посмотреть, как это делается».

В 1831 году началась новая эпоха в спичечном производстве, когда девятнадцатилетний студент Шарль Марк Сориа изобрел «фосфорные спички». Он не запатентовал свое изобретение, и в 1832 году другой студент-химик Якоб Фридрих Каммерер, который ничего не знал об изобретении Сориа, придумал точно такие же фосфорные спички и наладил их производство.

В годы Гражданской войны в Петрограде, из-за недостатка фосфора, на какое-то ввернулись к производству спичек Шанселя. Их называли «хозяйственные запалы» и снабжали такой инструкцией:

«1. Все хозяйственные запалы горят без отказа.

2. Запалы вставляются в трубку с химическим составом и быстро вынимаются.

3. Закрывать трубку быстро и осторожно.

4. Не загоревшийся сразу запал не бросать, проведя его по шероховатой поверхности, он должен загореться. (Имеется в виду — если провести им по шероховатой поверхности, он загорится. — Ред.)

5. Хранить запалы в сухом месте.

6. Зажигать запалы в некотором расстоянии от себя и не держать над открытой коробкой, скатертью, столом и пр.».

Вернемся, однако, к бертолетовой соли. Спичка для домашнего хозяйства — дело нужное, но ей нашлись и несколько иные применения. 

На службе у военных и революционеров

В 1826 году адъюнкт-профессор Николаевского инженерного училища К.П. Власов предложил устройство для воспламенения, названное впоследствии власовской трубкой. Устройство было похоже на «спички Прометея» — в бумажную или цинковую гильзу, наполненную смесью бертолетовой соли с сахаром, вставлялась запаянная стеклянная трубочка с серной кислотой. Устройство помещалось в пороховой фугасный снаряд, воспламенение производилось с помощью натянутого шнура, ломавшего трубку. Аналогичные воспламенительные трубки были предложены генералом Е.Ф. Эльснером.

Подобные устройства стали применять для подрыва морских мин в Крымской и Первой мировой войне. При столкновении трубки с корпусом судна происходило воспламенение, и мина взрывалась. Использовались и сухопутные противопехотные мины-ловушки с шнуром, прообраз современных «растяжек». В 1893 году генерал Д.С. Заботкин предложил «дистанционные огни», для заблаговременного обнаружения неприятеля. Ломающаяся трубка воспламеняла состав цветного бенгальского огня, выдававший приближавшегося противника.

Химический запал использовали не только военные. Партия «Народная воля» поставила себе одной из главных задач — убийство царя Александра II. Почему-то народовольцы считали, что это должно было привести к всенародному восстанию. А был бы среди них социолог, многое могло измениться (если бы они к нему прислушались, что маловероятно).

За техническую сторону дела отвечал Николай Иванович Кибальчич. Личность незаурядная и трагическая. Родился он в семье священника. Однако увлекся естественными науками, пошел на конфликт с отцом и оставил семинарию. Он поступил в гимназию и окончил ее в числе лучших учеников с серебряной медалью. Первоначально Кибальчич поступил в Петербургский институт инженеров путей сообщения, но, не окончив его, перешел в Медико-хирургическую академию. Тут Кибальчич познакомился с народовольцами и проникся их идеями. В 1875 году за хранение нелегальной литературы был арестован и почти три года провел в Лукьяновской тюрьме (Киев), после чего был освобожден под надзор полиции. После тюрьмы продолжение учебы для Кибальчича находилось под запретом, поэтому он занялся самообразованием и выбрал путь революционера-подпольщика. Он проявил себя как талантливый химик, смог изготовить в кустарных условиях нитроглицерин и динамит, разработал рецепт специальной краски для подпольных типографий.

История покушений народовольцев напоминает остросюжетный фильм. Однако царю неизменно везло. После шести неудачных покушений для запасного плана Кибальчич разрабатывает «метательный снаряд», по сути — двухкилограммовую гранату. Ничего подобного «метательным снарядам» не было даже на вооружении армии — тогда в качестве взрывчатого вещества использовали дымный порох. А Кибальчич наладил производство «гремучего студня», раствора нитрата целлюлозы в нитроглицерине. Запалом этой бомбы была знакомая нам власовская трубка.

Однако в отличие от гранаты устройство не давало осколков. Это было сделано Кибальчичем намеренно, чтобы свести до минимума количество случайных жертв. Для сравнения — их последователи, организаторы несостоявшегося покушения на жизнь Александра III, участником которого был Александр Ульянов, начинили динамит кусочками свинца, отравленными стрихнином.

Вот как описывал свое устройство Кибальчич: «Сущность устройства его состоит в том, что оловянный груз, надетый на стеклянную трубочку, наполненную серной кислотой, в момент удара метательного снаряда о какую-либо поверхность разламывает трубочку вследствие силы инерции, серная кислота, вытекая из разбитой трубочки, зажигает прикрепленный к трубочке стопин особого приготовления (нитка, покрытая смесью бертолетовой соли, сахара и сернистой сурьмы), огонь по стопину передается к запалу с гремучей ртутью, гремучая ртуть, взрываясь, сообщает взрыв патрону, состоящему из смеси мучнистого пироксилина и нитроглицерина, а от патрона взрыв передается уже гремучему студню. В снаряд помещены две стеклянные трубочки, продольная и поперечная, с грузами на каждой, так что, какой бы стороной ни упал снаряд, во всяком случае хоть одна трубочка должна разбиться. Огонь по стопину передается моментально, и, следовательно, взрыв должен произойти в то мгновение, как только снаряд ударится о препятствие».

После взрыва первой бомбы, брошенной под карету, Александр II остался невредим, однако необдуманные действия царя решили его судьбу: он вышел из кареты, чтобы посмотреть на убийцу, и другой народоволец не промахнулся. Царь был смертельно ранен взрывом второй бомбы и в тот же день скончался. Николай Кибальчич был арестован через семнадцать дней после покушения и казнен.

За несколько дней до казни Николай Кибальчич разработал устройство «воздухоплавательного прибора» — летательного аппарата, снабженного ракетным двигателем на прессованном порохе или других взрывчатых веществах. Кибальчич смог передать свои записи адвокату. Однако эта его работа не была представлена экспертам (помешала полиция), попала в архивы полиции и увидела мир только в 1918 году.

Огонь по мановению волшебной палочки

Сделаем простой и эффектный опыт, похожий на фокус. Для этого нам потребуются химическая пробирка, пробка для нее, держатель для нее, стеклянная палочка, алюминиевая фольга, ненужный журнал с глянцевой бумагой, пищевая сода и коробка спичек. Работаем в халате, перчатках и защитных очках. Фокус готовим вместе с учителем на занятии химического кружка, в лаборатории, где есть химическая посуда и вытяжной шкаф.

Если в лаборатории нет держателя для пробирки, то давайте сделаем его сами. Для этого потребуются полоска тонкой жести и изолента. Держатель очень прост и пригодится для других опытов, его конструкция видна на фото. Полоску жести на конце сгибаем в кольцо по размеру пробирки. Затем на полоску надеваем хомутик из тонкой полоски жести, обжатый с краю пассатижами. Двигая хомутик, добиваемся, чтобы он плотно обхватывал пробирку. Полосу жести немного изогнем «лодочкой» для жесткости. Часть ручки держателя обматываем изолентой.

Самодельный держатель для пробирки

Вначале получим немного концентрированной серной кислоты. Нам потребуется всего несколько капель. Возможно, в лаборатории есть концентрированная серная кислота. Но если есть только разбавленная, скажем, 35%-ная (автомобильный электролит), то нам придется ее упарить, чтобы убрать воду и повысить концентрацию кислоты.

Нальем 1–1,5 мл раствора кислоты в пробирку и будем нагревать его на пламени спиртовки или над таблеткой сухого горючего. Пробирку держим под небольшим углом, слегка покачивая. Периодически греем всю пробирку — сверху вниз, чтобы не лопнуло стекло из-за неравномерного нагревания. Мы заметим, что раствор начинает закипать и на стенках оседают капли воды. Чтобы их удалить, прогреваем пробирку по всей длине. Надеюсь, вы понимаете, что отверстие пробирки должно быть направлено от себя. Но если ошибетесь — учитель вас поправит. Вот почему так важно делать химические эксперименты вместе со взрослыми, лучше — на занятиях школьного кружка.

Примерно через четыре минуты мы заметим, что кипение прекратилось, вода со стенок испарилась и появились белые пары серной кислоты. Нагревание прекращаем, горло пробирки сразу закрываем пробочкой или плотно заворачиваем алюминиевой фольгой — концентрированная кислота легко притягивает воду из воздуха. Браться за пробирку пальцами нельзя — она горячая, вы ее уроните и разобьете. Манипулируйте пробиркой с помощью держателя.

Мы получили 80–90%-ную серную кислоту. Дадим пробирке остыть в течение трех минут, затем погрузим в полученную кислоту стеклянную палочку и коснемся ею бумажной салфетки. Бумага моментально почернеет из-за обугливания. Концентрированная серная кислота отнимает воду у целлюлозы, в результате чего образуется углерод, и бумага темнеет. Можно нанести капельку кислоты на деревянную палочку — результат должен быть аналогичен. Если капли кислоты пролились — засыпьте их пищевой содой и протрите влажной тряпкой.

Бертолетова соль опасна в обращении, поэтому воспользуемся более безопасным аналогом — готовым составом спичечных головок. В массе головок содержится 46,5% хлората калия, 4,2% серы, 11,5% костяного клея и некоторые вспомогательные вещества. Высыпаем коробку спичек на глянцевый журнал, придерживаем спички рукой и с помощью металлической ложки осторожно надавливаем на головки, хрупкая масса осыпается. Теперь, выбрав кусочки дерева, осторожно ложкой растираем головки на бумаге. Должен получиться мелкий порошок, подобный пыли. Теперь собираем в кучку порошок с помощью бумажной полоски. 

Все готово к демонстрации фокуса. Обязательно используем защитные очки. А демонстрацию проводим в вытяжном шкафу. Обмакнем стеклянную палочку в концентрированную серную кислоту, на кончике палочки получится небольшая капля. Коснемся нашей «волшебной» палочкой кучки из порошка спичечных головок — она сразу же вспыхивает и моментально сгорает желтым пламенем. Бумага при этом не обугливается. К сожалению, примеси натрия в спичечной массе полностью маскируют фиолетовую окраску калия, однако опыт при всей его простоте достаточно эффектен. Сама же головка спички при смачивании такой самодельной концентрированной кислотой, как правило, не загорается — нужна большая концентрация кислоты.

Вот и коснулись волшебной палочкой

Парадоксальное поведение спичек

Фото Н. Коробан

На самом деле спички — прекрасный объект для разного рода экспериментов и фокусов, в том числе парадоксальных. Если хотите поразить воображение своих учеников, или детей, или гостей, то сделайте вот такой простой эксперимент. Вам понадобится коробок самых обычных спичек, чашечка Петри среднего размера и хороший магнит. Когда я говорю «хороший», то имею в виду неодимовый магнит (Nd₂Fe₁₄B). Форма магнита не имеет значения — будь то диск, кубик или шар. Большой выбор таких магнитов есть, например, в интернет-магазине «Мир магнитов».

А теперь — подготовка эксперимента. Берем спички и аккуратно сжигаем их на три четверти, то есть почти целиком. Черные обугленные останки (старайтесь, чтобы спички не ломались, а сохраняли форму, только становясь черными, похудевшими и немного искривленными). Сгоревшие спички аккуратно складываем в чашку Петри. Когда их наберется штук десять — пятнадцать, приступаем к собственно фокусу. Берем магнит, подносим его к чашке Петри и аккуратно опускаем над спичками на расстоянии двух сантиметров.

И вот тут-то и произойдет чудо: обугленные спички зашевелятся и начнут выпрыгивать, прилипая сгоревшими головками к магниту. В считаные секунды они повиснут частоколом на магните.

Впечатление производит оглушительное. Теперь можете покачать магнит, и спички будут раскачиваться, словно занавеска. В общем, держаться будут хорошо. Для сравнения можно показать, что целые, несгоревшие спички к магниту не притягиваются.

А теперь самое время разобраться, что же произошло. Почему деревянные спички натурально примагнитились к магниту? Разгадка, конечно, есть. И кроется она в составе спичечных головок, который сложнее того, что описан выше. Помимо бертолетовой соли, серы, хромпика, молотого стекла и костяного клея в состав входит железный сурик Fe₂O₃. Он придает головкам спичек рыжий цвет. Когда головка сгорает, железный сурик под действием высокой температуры превращается в магнетит FeO·Fe₂O₃ — а это ферромагнетик. Поэтому для фокуса важно, чтобы головка спички прогорела очень хорошо.

Однако не все спички содержат железный сурик. Бывает, что состав головок подкрашивают свинцовым суриком — ортоплюмбатом свинца Pb₃O₄ красно-оранжевого цвета. Его используют как пигмент в красках, при производстве хрусталя и оптического стекла. Поэтому прежде чем удивлять учеников и гостей, проверьте, годятся ли ваши спички. Например, спички для сигар не подходят точно, проверено.

Л. Викторова