Разжигание огня – один из первоначальных прорывов человечества к цивилизации. Этот невероятно важный процесс позволил людям греться, готовить пищу и обеспечивать свет в темное время суток. И все это благодаря одному из наиболее продвинутых изобретений – спичке. Но что, собственно, происходит? Почему головка спички оказывается дымящимся огненным шаром, когда трется о грубку коробки?
Объяснить этот удивительный процесс можно с помощью нескольких принципов химии и физики. Головка спички содержит вещество, называемое фосфором. Он, в свою очередь, состоит из аллотропов, или различных форм одного и того же элемента. Самая распространенная форма – белый фосфор, который в темноте неустойчив и выделяет слабый характерный свет.
Трение головки спички о шероховатости коробки приводит к нагреванию и механическому воздействию на аллотропы фосфора, что запускает цепную реакцию. Нагревание вызывает образование фосфида водорода, а не воды, как многие ошибочно полагают. Фосфид водорода (PH3) – легкогорючее газообразное вещество, которое вступает в реакцию с кислородом воздуха, вызывая моментальное возгорание. Этот детонатор зажигает все остальные элементы, содержащиеся в головке спички, в результате чего воспламеняется вся головка спички.
Физические свойства головки спички
— Химическая реакция. Головка спички содержит окислитель (чаще всего это хлорат калия или пероксида свинца) и горючее вещество (например, азид свинца). При контакте с красным фосфором, который нанесен на коробок спичек, происходит химическая реакция, приводящая к выделению тепла и образованию горячих газов, которые воспламеняются.
-Поверхностное натяжение. Гладкая поверхность головки спички и рельефная поверхность коробка спичек обладают разными степенями поверхностного натяжения. При трении о коробок, эти поверхности начинают взаимодействовать и происходит разрыв тонкой пленки жидкости, образованной веществами поверхности, что создает условия для образования огня.
— Температурный интервал воспламенения. Головка спички имеет определенный температурный интервал, в пределах которого она может воспламеняться при трении. Если температура ниже или выше этого интервала, головка спички не загорится.
Трение – первопричина воспламенения
Почему головка спички воспламеняется при трении о коробку? Этот феномен объясняется наличием трения между головкой спички и поверхностью коробки.
Трение – это взаимодействие между двумя телами, которое возникает при их соприкосновении и движении. Когда вы трете головку спички о грубую материю на коробке, происходит силовое взаимодействие между молекулами головки спички и поверхностью коробки.
При трении происходит перенос электронов с молекул головки спички на молекулы материала коробки. В результате этого процесса головка спички заряжается положительно, а поверхность коробки – отрицательно. Установление электрического заряда обусловлено деформацией и разрушением поверхностных слоев атомов и молекул тел.
Вследствие зарядки, между головкой спички и коробкой возникает электростатическое поле. Положительный заряд головки спички и отрицательный заряд поверхности коробки притягиваются друг к другу согласно закону Кулона.
Высокая температура, вызванная трением, приводит к тому, что химические соединения в головке спички начинают активно взаимодействовать между собой. В результате возникает возгорание, основанное на химической реакции окисления. Вспыхивая, головка спички тлеет и горит, потому что внутри спички имеется окислитель.
Таким образом, трение между головкой спички и коробкой является первопричиной воспламенения. Именно энергия, возникающая при трении, приводит к возгоранию головки спички и запуску химической реакции, приводящей к горению.
Реакция между окислителем и топливом
Окислитель — это вещество, которое обладает свойством передавать кислород другим веществам. Окислитель в головке спички представлен смесью хлоратов или нитратов металлов, таких как хлорат калия или нитрат стронция. Окислитель играет роль поставщика кислорода в реакции.
Топливо — это вещество, которое обладает свойством гореть при наличии окислителя и источника тепла. В головке спички в качестве топлива используется фосфорная смесь. Топливо и окислитель находятся на разных частях спички, что предотвращает возгорание до трения о коробку.
При трении головки спички о шабашку на коробке спичек, происходит механическое воздействие, которое создает достаточно энергии, чтобы начать реакцию между окислителем и топливом. При этом окислитель передает кислород топливу, и начинается процесс окисления, сопровождающийся выделением тепла и света. Таким образом, головка спички воспламеняется.
Реакция между окислителем и топливом в головке спички обладает достаточно высокой скоростью, что приводит к мгновенному воспламенению спички при трении о коробку. Необходимо помнить, что данную реакцию следует обрабатывать с осторожностью, так как она способна вызвать возгорание и пожар.
Поверхность коробки как катализатор
Головка спички воспламеняется при трении о коробку благодаря взаимодействию горючего материала и окружающей его среды. При трении головки спички о поверхность коробки происходит механическое разрушение структуры спички, из-за чего на поверхности спички образуется большое количество мелких осколков.
Катализатором процесса воспламенения служит вещество, ускоряющее химическую реакцию, оно не вовлекается в реакцию и само не изменяется. В данном случае поверхность коробки выступает в роли катализатора.
На поверхности коробки есть неровности и микроскопические изъяны, так называемые активные центры. При трении о головку спички эти центры становятся взаимодействовать с окислителями, находящимися в серной смеси на спичке. Это приводит к образованию горючих окислительных соединений.
Таким образом, взаимодействие активных центров на поверхности коробки с окислителями создает благоприятную среду для ускоренного воспламенения спички. Факторы, такие как плотное прилегание спички к поверхности коробки, приложенное усилие и скорость трения, влияют на эффективность процесса и скорость воспламенения головки спички.
Основы горения головки спички
На головке спички содержится специальное вещество, называемое горючим веществом. При трении спички о коробок это вещество начинает контактировать с кислородом воздуха, что приводит к химической реакции окисления. В результате этой реакции образуются продукты горения — вода и углекислый газ.
Помимо кислорода, для поддержания горения необходимо также наличие тепла. При трении о коробку, кинетическая энергия, передаваемая силой трения, приводит к повышению температуры головки спички. Это способствует началу реакции горения горючего вещества.
Для продолжения горения головки спички необходимо поддерживать постоянную подачу кислорода. Для этого головка спички имеет специальную структуру — головка спички с пористым наконечником. Благодаря этой структуре, спичка может впитывать окружающий воздух и подавать его к горящему горючему веществу, что поддерживает горение.
Флюидо-дизельный процесс горения
Почему головка спички воспламеняется при трении о коробку? Ответ на этот вопрос кроется в так называемом флюидо-дизельном процессе горения.
Когда головка спички трется о грубую поверхность, такую как коробка, происходит трение между двумя твердыми материалами. В результате трения происходит механическая деформация и разрушение молекул вещества головки спички.
Внутри головки спички содержится определенная смесь химических соединений, таких как сера и оксидация веществ из маревой палочки. При трении между головкой и коробкой, фрикционные силы превращают механическую энергию в тепловую. В результате повышения температуры, химические соединения в головке спички дезактивируются и происходит искрение.
Искры, возникающие при трении, могут достигать высоких температур и являются результатом флюидо-дизельного процесса горения. Этот процесс характеризуется самовоспламенением газовых продуктов при достаточно высокой температуре. В случае спички, флюидо-дизельный процесс горения происходит на такой низкой температуре, что головка спички вспыхивает, причиняя мгновенный огонь.
| Процесс горения | Температура |
|---|---|
| Химическое воспламенение | 550-600°C |
| Флюидо-дизельный процесс горения | 200-370°C |
| Спичка воспламеняется | 150-260°C |
Возгорание спички при достаточном трении
Почему головка спички начинает гореть, когда ее трет о коробку? Этот феномен связан с реакцией между двумя веществами, содержащимися на головке спички и коробке.
На головке спички обычно нанесен специальный состав, называемый фосфором. При контакте фосфора с воздухом происходит окисление, что выделяет значительное количество тепла. Однако фосфор не воспламеняется сам по себе при трении.
В коробке спичек содержится вещество, известное как «затравка». В основном это химическое вещество, такое как антифрикционный порошок или смесь селитры. Когда головка спички трется о затравку, на поверхности спички образуется небольшая искра, вызванная трением и создающая очень высокую температуру.
Высокая температура, образующаяся при трении, способна запустить реакцию между фосфором и кислородом в воздухе. Эта реакция является самосгорающимся процессом, который приводит к воспламенению фосфора. Таким образом, трение головки спички о коробку создает условия для реакции, которая вызывает возгорание спички.