Незаурядные, часто применяемые в быту вопросы, позволяют учащимся приумножить познавательный интерес к предмету химии, расширяют кругозор и позволяют сделать определённый выбор для дальнейшего, более углубленного изучения предмета химии и выбора профессии. Данный материал может быть использован при обучении химии учащихся 8–9-х классов, в качестве внеклассного мероприятия, а также при проведении тематических недель (декад) по предмету химия.

Кроме того, отдельный информационный материал может быть рекомендован в применении на традиционном уроке при изучении, например, фосфора и его соединений (9-й класс), а также при изучении бинарных соединений некоторых химических веществ (8-й класс), на факультативных занятиях, при проведении различных игровых и конкурсных мероприятий по химии.

Человек познакомился с химией, как только стал человеком. Первый сознательно зажженный костер – это первая химическая реакция, первый шаг на необозримо длинном пути к овладению одной из замечательных наук о природе. И разве не символично, что химия впервые предстала перед человеком в образе беспрестанно изменяющегося, бесконечно разнообразного, жутко – прекрасного пламени!

Наш далекий предок и не подозревал о необъятных силах химии как науки. То, что когда-то казалось абсолютно невероятным, совершенно немыслимым – стало обязательным атрибутом ХХ1 века. Где бы не находился человек – глубоко под землей или в космосе, на теплоходе или в автомобиле, на заводе или в больнице, в магазине или на собственной кухне, – везде химия приходит на помощь, везде оказывает неоценимые услуги.

Более трехсот лет отделяют нас от того момента, когда гамбургский алхимик Генинг Бранд открыл новый элемент – фосфор. Полученное вещество светилось без подогрева, было необычайно и ново. Этим свойством нового вещества Бранд не замедлил воспользоваться. Он стал показывать фосфор различным привилегированным лицам, получая от них подарки и деньги. На сегодняшний день доказано, что фосфор широко распространен в земной коре и обнаружен буквально во всех органах зеленых растений.

Главные потребители фосфора – это производство спичек, металлургия, различные химические производства.

Подсчитано, что мировое производство спичек составляет 35 млрд. коробок в год. На одну коробку расходуется около 1 г спичечной массы. Следовательно, расход спичечной массы в мировом масштабе составляет десятки тысяч тонн в год.

Сегодня мы с вами поговорим о значении и роли вот этой маленькой спички, которая совершенно необходима для жизнедеятельности любого человека. В наш век информационных технологий и высоких достижений совершенно очевидно, что в каждом доме по-прежнему имеется коробок спичек, без которого современный человек не может обойтись и на сегодняшний день.

Целью нашего сегодняшнего занятия является:

• Узнать способы добывания огня, совершив экскурс в историю;
• Выяснить основы технологических процессов, применяемых для изготовления спичек;
• Познакомиться с различными видами и значением получаемого продукта;
• Провести опыты, подтверждающие свойства фосфора и его соединений, используемых в данном производстве.

Экскурс в историю.

1-й учащийся: Человек давно уже был знаком с чудодейственными свойствами огня, стихийно возникающего в результате удара молнии. Поэтому отыскание способов добывания огня было предпринято еще первобытным человеком. Энергичное трение двух кусков дерева – один из таких способов. Самовоспламенение древесины происходит при температуре выше 300 °С. Понятно, какие мускульные усилия необходимо приложить для локального разогревания древесины до такой температуры, и, тем не менее, в свое время овладение этим способом было величайшим достижением. Использование огня позволило человеку в значительной мере снять с себя зависимость от климата, а значит, расширить пространство для существования.

Поскольку способы получения огня были несовершенны и трудоемки, человеку приходилось постоянно поддерживать горящий источник огня. Для перенесения огня в Древнем Риме использовали деревянные палочки, обмакнутые в расплав серы.

Приспособления для получения огня, основанные на химических реакциях, начали делать в конце XVIII в. Вначале это были древесные лучинки, на кончике которых в виде головки закреплялись хлорат калия (бертолетова соль КС1Оз) и сера. Головка погружалась в серную кислоту, происходила вспышка и лучинка загоралась. Человек был вынужден хранить и обращаться с небезопасной серной кислотой, что было крайне неудобно. Тем не менее, это химическое "огниво” можно рассматривать как прародитель современных спичек.

2-й учащийся: В начале XIX в. немецкий химик Деберейнер изобрел более совершенное, но и более сложное огниво. Им было установлено, что струя водорода, направленная на губчатую платину, воспламеняется на воздухе.

Губчатая платина играет роль катализатора. Для использования этого средства при получении огня в быту им был создан небольшой стеклянный прибор (по типу ранее изобретенного Киппом аппарата, носящего его имя). Водород получался приведением в контакт металлического цинка и серной кислоты. Таким образом, получение пламени и его тушение обеспечивалось поворотом крана, приводящего в контакт (или разделяющего) серную кислоту и цинк. Огниво Деберейнера можно считать прародителем современной газовой или бензиновой зажигалки.

Важнейшим этапом на пути к современным спичкам было введение в состав массы спичечной головки белого фосфора в 1833 году. Такие спички легко зажигались от трения о шероховатую поверхность. Однако при горении они создавали неприятный запах и главное, их производство было весьма вредно для рабочих. Пары белого фосфора приводили к тяжелейшему заболеванию – фосфорному некрозу костей. Прежде всего, некрозу подвергались кости челюстей людей, так как фосфор проникал через кариозные зубы.

В 1847 г. было установлено, что белый фосфор при нагревании в закрытом сосуде без доступа воздуха превращается в другую модификацию – красный фосфор. Он гораздо менее летуч и практически не ядовит. Вскоре белый фосфор в головках спичек был заменен на красный. Такие спички зажигались лишь при трении о специальную поверхность из красного фосфора, клея и других веществ. Эти спички называли безопасными или шведскими, так как фабричным способом их впервые начали изготавливать в Швеции в 1867–1869 гг.

Учащиеся демонстрируют опыт: "Превращение красного фосфора в белый”.

Соскоблить смесь, содержащую красный фосфор, с двух-трех спичечных коробков (стараясь не захватить материал упаковки) и поместить на дно тонкой пробирки. Вставить стеклянную палочку длиной чуть больше пробирки и осторожно нагреть фосфор, стараясь не нагреть остальную часть сосуда. При 296^оС красный фосфор превращается в белый, который конденсируется в виде желтых маслянистых капель на стеклянной палочке и более холодных стенках пробирки. После появления капель белого фосфора нагревание следует прекратить и вынуть палочку из пробирки. На воздухе белый фосфор самовоспламеняется и сгорает ярким пламенем с выделением белого дыма – оксида фосфора Р₂О_5. Необходимо подержать над горящим фосфором влажную индикаторную бумажку, изменение цвета которой укажет на кислотные свойства оксида Р₂О_5.

1-й учащийся (продолжает):

Первая спичечная фабрика в России была зарегистрирована в 1837 г., а через семь лет их было уже восемь. В 1848 г. преподаватель химии Санкт-Петербургского технологического института Н. Витт писал, что "все прежде употребительные огнивы разных устройств ныне оставлены, потому что промышленность в новейшее время так удачно умела воспользоваться химическими сведениями, распространившимися между сословиями заводчиков, что приспособила удобно вспыхивающие составы к деланию спичек, зажигающихся от трения, и успела усовершенствовать их до такой степени, что они, выполняя совершенно свою цель, сделались доступными по своей дешевизне для всех, а потому далеко оставили за собою все подобные средства и имели огромный успех”.

Вопросы к учащимся:

• Какие способы добывания огня использовал первобытный человек? В чем помог огонь первобытным людям?
• Каковы способы получения огня, основанные на химических реакциях?
• Как работало огниво Деберейнера?
• Введение какого химического элемента стало важнейшим этапом на пути производства спичек? Что было применено при переходе от опасного производства к менее вредному?
• Когда была зарегистрирована первая спичечная фабрика в России?

Какова технология изготовления спичек?

Наши гости – представители одной из спичечных фабрик (учащиеся класса), кратко и доступно расскажут нам о данном производстве.

Специалист по технике безопасности:

У нас, так же как и в других странах, преимущественно выпускают спички из древесной палочки (называемой соломкой) с головкой, требующей для воспламенения трения о намазку, нанесенную на боковые стороны спичечной коробки.

В качестве основного сырья для изготовления спичечной соломки с прошлого столетия используют главным образом осину и реже липу. Для этого с круглого очищенного от коры чурака специальным ножом по спирали снимается лента, которая затем рубится на спичечную соломку. При сгорании спички необходимо получить нетлеющий уголек от соломки и удержать на нем раска ленный шлак от сгоревшей головки. Тлеющий уголек от соломки, естественно, представляет пожарную опасность. Для устранения тления соломки и закрепления шлака от головки соломку пропитывают веществами, образующими на ее поверхности при горении пленку. Благодаря этой пленке прекращается сгорание угля. В качестве противотлеющих веществ используют фосфорную кислоту и ее соль фосфат аммония.

Для обеспечения эффективного перехода пламени от головки к соломке последняя около головки пропитывается расплавленным парафином. Спички с непарафинированной соломкой гаснут практически вслед за сгоранием головки. Парафин легко воспламеняется при горении головки и дает яркое пламя, что важно в случае использования спички как источника света. Кроме того, он обладает хорошей теплотворной способностью, способствующей возгоранию соломки, безопасен при хранении спичек, не выделяет при горении копоти, дыма или вредных газов.

Главный технолог:

Состав спички (головка и терочная масса).

За период более чем 150 лет было использовано большое количество рецептур зажигательных масс, из которых изготавливают головки спичек. Они являются сложными многокомпонентными системами. В них входят; окислители (КСО₃, К₂С_Г2О₇, МпО₂), дающие кислород, необходимый для горения; горючие вещества (сера, животные и растительные клеи, сульфид фосфора P₄S₃); наполнители – вещества, предотвращающие взрывной характер горения головки (измельченное стекло); склеивающие вещества (клеи), которые одновременно являются и горючими; стабилизаторы кислотности (ZnO, СаСО₃ и др.); вещества, окрашивающие спичечную массу в определенный цвет (органические и неорганические красители).

Температура горения спичечных головок достигает 1500°С, а температура их воспламенения лежит в пределах 180–200 °С.

Фосфорная (терочная) масса также является многокомпонентной. Она наносится на узкие боковые наружные стороны спичечной коробки. В состав наиболее распространенной терочной массы входят: красный фосфор, сульфид сурьмы (III), железный сурик Fe₂O₃, пиролюзит МпО₂, мел СаСОз, клей.

Считают, что при трении головки о фосфорные намазки тепловой импульс направлен в основном не на нагревание зажигательной массы до температуры воспламенения, а на сублимацию (возгонку) красного фосфора. В результате сублимации красного фосфора образуется белый, который легко взаимодействует с кислородом воздуха с выделением большого количества теплоты.

Вопрос одного из "специалистов:

Опишите условия и признаки данной реакции. Почему она является экзотермической?

Одним из важных показателей качества спичек является легкость воспламенения головки спички о терку. Этот показатель называют чуткостью спичек. Она должна находиться в определенных пределах. Спички с очень высокой чуткостью способны воспламеняться при трении о неактивные шероховатые поверхности и потому не отвечают требованиям безопасности. При транспортировке таких спичек возможно самопроизвольное воспламенение. Опытом установлено, что чувствительность спичек зависит от соотношения окислителей и восстановителей в зажигательной смеси и от состава намазной массы терки. Температура воспламенения зажигательной массы имеет меньшее значение, чем головки.

Опыт "Иерусалимское чудо”.

Рассказывают, что во время пасхального богослужения в иерусалимском храме произошло чудо: как только священник произнес фразу: "Христос воскрес!”, свечи в подсвечниках, которые находились в его руках, мгновенно вспыхнули.

А вы не хотели бы повторить это чудесное явление?

Для этого необходимо омочить фитиль свечи раствором белого фосфора в сероуглероде, который представляет собой бесцветную, легко испаряющуюся жидкость. Как только сероуглерод испарится, на фитиле останутся лишь кристаллики белого фосфора, который, как мы знаем, имеет способность самовоспламеняться на воздухе. Наша свеча загорелась "сама собой”.

Специалист по связям с общественностью:

Существует несколько разновидностей современных спичек. По назначению различают спички, зажигающиеся в обычных условиях, влагоупорные (рассчитанные на зажигание после хранения во влажных условиях, например в тропиках), ветровые (зажигающиеся на ветру) и др.

Особым сортом спичек являются ветровые. Они позволяют использовать пламя при силе ветра в 10–12 баллов. Длительность горения таких спичек равна 5–10 с. В отличие от обычных спичек у ветровых удлиненная форма головки (10–12 мм). Для продления времени горения в состав головки вводят крахмал. Для усиления ветроустойчивости спичек (до 12 баллов) в состав головки вводят нафталин.

При изготовлении влагоупорных спичек их головки покрывают нитроцеллюлозной пленкой.

Следует отметить, что реакция, протекающая при сгорании головки спички, – это один из наиболее бурных химических процессов. В больших масштабах она является и одной из наиболее опасных. Поэтому производство спички (которая хотя и называется безопасной) требует к себе уважительного отношения.

Специалисты (ребята) задают учащимся вопросы, имеющие отношение к основам производства и предлагают выполнить следующее задание.

Задание-головоломка:

"Химические полоски по теме: "Производство спичек”. Выполняется в беседе с учащимися.

Перед вами 8 полосок с написанными на них буквами. Попробуйте переставить их таким образом, чтобы по вертикали читались названия химических веществ и химических процессов, имеющих отношения к данной теме. Прочитав все 8 слов, постарайтесь объяснить их значение, а также практическое применение.

Фосфор

Окислитель

Возгонка

Сублимация

Аллотропия

Горелка

Производство

Парафин

Подведение итогов:

Слово учителя.

После изучения данного материала, возможно, многие из ребят, беря в руки обыкновенную спичку, будут относиться к ней с большим почтением, чем до сих пор. Ведь в ней сосредоточена не только большая энергия, но и опыт многих поколений, а также труд многих людей. Также необходимо помнить о пожарной безопасности при работе с огнем, о необходимости осторожного обращения с обыкновенной спичкой, газовой горелкой, зажигалкой и другими пожароопасными предметами быта и производства для предотвращение пожаров и возникновения непредвиденных, зачастую неприятных ситуаций и текущих последствий.