Химия и Химики № 1-2 2015. Эксперименты с углекислым газом

Зажигалка (с кремнем) на воздухе, в углекислом газе и в аргоне

Пирофорность - способность некоторых веществ самовоспламеняться на воздухе при комнатной или более низкой температуре. Например, пирофорностью обладает фосфин или силан, но довольно часто речь идет о пирофорности металлов. Мелкодисперсные металлы средней и умеренной активности - железо, кобальт, никель, цинк, алюминий и др. способны самовоспламеняться на воздухе. Такие металлы получают разложением солей органических кислот (формиатов, тартратов, ацетатов и др.), восстановлением соединений металлов в токе водорода при как можно более низкой температуре, распылением металла в электрическом разряде и т.д. [1].

В прошлом большое значение имело высекание искр при ударах и трении кремня о железо - это был один из основных способов получения огня. (Кремень - силикатная порода, которая состоит в основном из диоксида кремния - кремнезема). В результате ударов и трения образовывались мельчайшие частички железа, которые раскалялись под действием воздуха и поджигали трут (трут - специальный материал, который легко воспламеняется, например, сухая трава, обожженная хлопчатобумажная ткань и т.д.) [2].

Нередко пишут, что при ударе кремнем мелкие частички железа воспламеняются за счет высокой химической активности. С другой стороны, алюминий и магний при трении практически не дают искр, хотя они гораздо более активны, чем железо. Дело в том, что и алюминий, и магний - более мягкие и пластичные металлы - чтобы отделить от них частички при трении требуется гораздо меньшее усилие. Следовательно, частички меньше греются и не вспыхивают на воздухе [K1]. Раз так, то это не совсем пирофорность: ведь частички металла вспыхивают не только за счет мелкого размера (и, как результат, высокой химической активности), но и за счет нагрева от трения.

Возникает вопрос:

"А может быть дело в разогреве частичек металла только за счет трения, а не за счет их химической реакции с кислородом (т.е. - горения)?"

Другими словами, дело не в химической реакции, а в переходе кинетической энергии в работу? Если это так, то искры должны высекаться не только на воздухе, но и среде инертного газа. Чтобы не упражняться с куском железа и кремнем (как в старину), мы решили использовать зажигалку с "кремнем" и шершавым колесиком, которое трется об кремень.

Несмотря на схожесть названий, кремни для зажигалок - не то же самое, что кремни, которыми пользовались для получения огня в старину. Кремни для зажигалок состоят в основном из ферроцерия - сплава железа с церием, лантаном и другими редкоземельными элементами [3]. При трении ферроцерий дает яркие белые искры, которые легко поджигают газ или пары бензина, когда мы пользуемся зажигалкой.

Для начала зажигалку поместили в кулек, внутрь которого направили поток аргона. На воздухе зажигалка давала искры, от которых вспыхивал газ (бутан). В кульке с аргоном, как оказалось, при попытке привести зажигалку в действие не было ни искр, ни пламени. С пламенем ясно: бутан не горит в аргоне, но не было и искр - раскаленных частичек ферроцерия.

Аналогичный опыт был проделан с другой зажигалкой в ведре с углекислым газом. На воздухе зажигалка давала искры, затем - пламя. В углекислом газе - ни искр, ни пламени. Точнее, сразу после того, как зажигалка была опущена в углекислый газ, она давала немного искр, иногда даже вспышку бутана, т.к. внутри зажигалки оставалось немного воздуха. Но воздух моментально кончался или улетучивался и искры прекращались. Кстати, нечто подобное наблюдалось и в аргоне.

Таким образом, для того, чтобы ферроцерий давал искры, необходим кислород воздуха. Разогрев от трения необходим для воспламенения мелких частичек металла, но для их дальнейшего горения необходим воздух.

В книге Тиндаля [4] встретилось описание аналогичного эксперимента с "классическим" кремнем (горная порода) и сталью:

Дэви нашел, что искры не сыпались от удара кремня о сталь, когда он опускал курок кремневого ружья, поместивши его в безвоздушном пространстве, но отшибленные частицы стали, рассмотренные под микроскопом, показали следы плавления.

__________________________________________________
¹ См. статью Получение пирофорных металлов [ссылка]

² Подробнее это описано в книге Анучин Д.Н. Открытие огня и способы его добывания (1923) приведем фрагмент:

Гораздо более широким распространением пользуется способ высекания огня помощью кремня и металла. Металл (железо, сталь) первоначально заменялся рудою, серным колчеданом (или пиритом), которым и теперь пользуются еще некоторые племена эскимосов и индейцев Северной Америки, а прежде пользовались и туземцы Огненной Земли. В древних могилах Западной Европы, начиная с неолитического века, нередко находят в земле, среди положенных вместе с умершими предметов, кремни и куски колчедана. Известно несколько находок даже от времени палеолитического периода. Так, полуцилиндрический шарик пирита, около 2.5 см длиною, был найден в пещере Les Eyzies (Лезейзи) в долине Везера и кусок железного колчедана в пещере Trou de Chalet (Тру де-Шале), в Бельгии. Полагают, что они служили для получения огня. Но вообще способ высекания огня должен был возникнуть познее способа получения его из дерева трением, потому что он подразумевает знакомство с трутом, без которого невозможно уловить искру, получаемую металлическим огнивом. Эскимосы, пользующиеся огнивом из кремня и колчедана, употребляют в качестве трута пух морских птиц, сердцевину ив, сухой измельченный мох и т.п. Колчедан в области эскимосов встречается местами в большом количестве, часто в виде овальных шариков, непосредственно годных для употребления. Эскимосы и называют колчедан "огненным" камнем, как немцы кремень (Feuerstein). Замена колчедана железом могла последовать только с наступлением железного века, по мере ознакомления со способом получения металла путем его выплавки из железной руды. Но еще греки и римляне пользовались для получения огня пиритами (т.е, огнедающими камнями), откуда и современное научное название серного колчедана. Так, Филократ у Софокла говорит, что, "ударяя камень о камень, я с трудом добыл скрытую искру". Однако позже колчедан уступил место железу и, наконец, стали. Железные огнива были найдены в остатках одной свайной постройки в Швейцарии и в одной могиле древнего железного века Скандинавии. Позже стальное огниво и кремень стали самыми распространенными инструментами для добывания огня в большей части стран, в том числе и в культурных странах Азии и Европы. Кремешок употреблялся обыкновенно небольшой, квадратной, удлиненно-прямоугольной или неправильно округленной формы, а железному огниву придавалась чаще форма дужки или пряжки. Огниво, кремень и трут помещались обыкновенно в одном мешочке, куда еще клались иногда маленькие щипчики (для горящего трута), металлическое шильце (для чистки...

³ См. статью Сколько кремния в кремне для зажигалок? [ссылка]

⁴ Дж. Тиндаль - Теплота рассматриваемая как род движения (1864)

Смотреть Видео (46 Мб, .avi )