火柴里的那些化學問題

◇ 北京 王篤年(特級教師)

火是人類文明的起源.原始人從雷電點燃的草木那里取得火種,需要非常仔細地看管,一旦熄滅便只有等下一次雷電引發的燃燒,但不知要等多久.發明鉆木取火技術后,人們可以隨時取得火種了,只是比較費時、費力.所以人們一直期望有簡單易行的取得火種的辦法,最終導致了火柴的發明.

問題1教科書里講紅磷用于生產“安全火柴”,難道還有不安全火柴嗎?

是的!的確有不安全火柴.繼發明鉆木取火之后,人類發明了打火技術——用“火刀”(一種生鐵,也稱“火鐮”)和“火石”(一種石英巖)快速地相互撞擊冒出的火星引燃火絨(燈芯草的細絲、棉花等疏松干燥的植物纖維).此技術(或類似技術)目前仍然被用于野外生存訓練時獲取火種.后來發現了易燃物硫黃,歐洲人用沾有硫黃的木棍替代火絨,制成了類似現代火柴的發火物,不過依然要靠機械撞擊產生的火星點火.再后來,隨著化學的發展,一位意大利商人將氯酸鉀和白糖的混合物用膠調和后粘在木棍頭上,需要用火時,把這個火柴頭在濃硫酸中蘸一下再取出來,木棍就燃燒起來.這是由于濃硫酸引發了強氧化劑氯酸鉀與還原劑糖的反應,放出大量的熱引發燃燒,但這種火柴很不方便,使用時必須配以濃硫酸,危險性較大.

1830年前后,法國的一位科學家將白磷涂在木棍一端,制成了一種小巧靈便的火柴,使用時只要隨便在哪兒一擦,立即就可以生火.幾年后,瑞典出現了世界上第一家火柴廠,他們生產的火柴上不僅有白磷,還有樹膠、鉛丹或二氧化錳的混合物等,也是隨便一擦便可生火.由于太容易著火,那時的火柴必須一根一根單獨包裝,童話故事《賣火柴的小女孩》里描述的火柴就是“不安全火柴”.之所以要一根一根單獨包裝,就是怕存放、運輸時彼此摩擦引起燃燒.

1845年,人們制造出了白磷的同素異形體——紅磷,其著火點遠高于白磷,隨后瑞典科學家倫斯特姆利用紅磷設計制造了世界上第一盒安全火柴.他創造性地把引火劑分成兩部分:火柴頭上蘸有KClO3和Sb2S3,將紅磷涂在火柴盒的外側.當火柴頭在火柴盒上摩擦時,達到紅磷的著火點引燃被擦下的少量紅磷,燃著的紅磷接著引燃Sb2S3,而氯酸鉀受熱分解放出氧氣,起到助燃作用.這種火柴既沒有毒,又不易引起火災,被稱為“安全火柴”.目前通用的安全火柴基本是在此基礎上改良而成的,一般先把靠近火柴頭一端的木條在石蠟油里浸過,石蠟的著火點比木條低,更容易引燃,另外火柴頭藥品中除了氯酸鉀和Sb2S3外,一般還摻入一些硫黃.

這個安全火柴的火柴頭內,同時含有強化劑KClO3和強還原劑Sb2S3、硫黃.在受熱、受到猛烈撞擊或者猛烈摩擦(不一定要在火柴盒側面的紅磷上摩擦)時,就會引發反應燃燒起來.所以“安全”只是相對的,在保存、運輸過程中必須嚴格注意安全問題.

問題2火柴剛剛劃著瞬間的那一陣白煙是什么?它是如何產生的?

白煙是P2O5固體小顆粒彌漫于空氣的結果,P2O5是從火柴皮表面蹭下的極少量紅磷燃燒產生的.可見,P2O5具有極強的成煙能力,所以軍事上的煙幕彈就是運用磷燃燒能產生大量白煙這一特性制造的.

問題3火柴燃燒的是木棍兒,木棍兒是固體,固體燃燒為什么會有火焰呢?

我們知道,只有氣態物質燃燒時才會形成火焰.木炭、鐵絲在純氧中燃燒均不會形成火焰,而只是“發出白光”或“火星四射”.而鈉、鎂等沸點相對較低的金屬材料燃燒時,則會因為蒸發氣化、蒸氣氧化產生火焰,伴隨著燃燒產生的固體氧化物顆粒形成的煙.

火柴燃燒初期的火焰來自火柴桿上蘸有的少量石蠟氣化產生的蒸氣燃燒,此過程還伴有未燃盡的碳粒黑煙.而后期的火焰則來自木棍受熱干餾產生的木煤氣以及木焦油蒸氣的燃燒.將燃著的火柴插入水中熄滅后可觀察到木條頭上剩余黑色的一截木炭,那便是干餾過程產生的、尚未燃燒的木炭.

問題4為什么火柴頭朝上與火柴頭朝下燃燒的狀況不同?

用過火柴的人都知道,一根火柴擦燃后,將火柴頭朝上放置和朝下放置,火柴燃燒的狀況是大不相同的——前者火柴燃燒不旺(但可能持續燃燒較長時間);后者燃燒較旺、火焰體積較大,但很快就會燒完.

當我們將燃著的火柴頭朝下時,火柴燃燒的火焰會持續預熱火柴棍兒,使前端的火柴棍不斷受熱分解(發生干餾作用),產生更易燃燒的木煤氣、木焦油的蒸氣,所以火柴燒得就旺盛;而如果讓火柴頭朝上放置,木棍處于火焰的下部,不易被預熱、不易發生干餾作用,于是燒得就慢.如果遇上不易燃燒的硬木火柴棍,則可能燒一會兒就自行熄滅了.