火柴里的那些化学问题

◇ 北京 王笃年(特级教师)

火是人类文明的起源.原始人从雷电点燃的草木那里取得火种,需要非常仔细地看管,一旦熄灭便只有等下一次雷电引发的燃烧,但不知要等多久.发明钻木取火技术后,人们可以随时取得火种了,只是比较费时、费力.所以人们一直期望有简单易行的取得火种的办法,最终导致了火柴的发明.

问题1教科书里讲红磷用于生产“安全火柴”,难道还有不安全火柴吗?

是的!的确有不安全火柴.继发明钻木取火之后,人类发明了打火技术——用“火刀”(一种生铁,也称“火镰”)和“火石”(一种石英岩)快速地相互撞击冒出的火星引燃火绒(灯芯草的细丝、棉花等疏松干燥的植物纤维).此技术(或类似技术)目前仍然被用于野外生存训练时获取火种.后来发现了易燃物硫黄,欧洲人用沾有硫黄的木棍替代火绒,制成了类似现代火柴的发火物,不过依然要靠机械撞击产生的火星点火.再后来,随着化学的发展,一位意大利商人将氯酸钾和白糖的混合物用胶调和后粘在木棍头上,需要用火时,把这个火柴头在浓硫酸中蘸一下再取出来,木棍就燃烧起来.这是由于浓硫酸引发了强氧化剂氯酸钾与还原剂糖的反应,放出大量的热引发燃烧,但这种火柴很不方便,使用时必须配以浓硫酸,危险性较大.

1830年前后,法国的一位科学家将白磷涂在木棍一端,制成了一种小巧灵便的火柴,使用时只要随便在哪儿一擦,立即就可以生火.几年后,瑞典出现了世界上第一家火柴厂,他们生产的火柴上不仅有白磷,还有树胶、铅丹或二氧化锰的混合物等,也是随便一擦便可生火.由于太容易着火,那时的火柴必须一根一根单独包装,童话故事《卖火柴的小女孩》里描述的火柴就是“不安全火柴”.之所以要一根一根单独包装,就是怕存放、运输时彼此摩擦引起燃烧.

1845年,人们制造出了白磷的同素异形体——红磷,其着火点远高于白磷,随后瑞典科学家伦斯特姆利用红磷设计制造了世界上第一盒安全火柴.他创造性地把引火剂分成两部分:火柴头上蘸有KClO3和Sb2S3,将红磷涂在火柴盒的外侧.当火柴头在火柴盒上摩擦时,达到红磷的着火点引燃被擦下的少量红磷,燃着的红磷接着引燃Sb2S3,而氯酸钾受热分解放出氧气,起到助燃作用.这种火柴既没有毒,又不易引起火灾,被称为“安全火柴”.目前通用的安全火柴基本是在此基础上改良而成的,一般先把靠近火柴头一端的木条在石蜡油里浸过,石蜡的着火点比木条低,更容易引燃,另外火柴头药品中除了氯酸钾和Sb2S3外,一般还掺入一些硫黄.

这个安全火柴的火柴头内,同时含有强化剂KClO3和强还原剂Sb2S3、硫黄.在受热、受到猛烈撞击或者猛烈摩擦(不一定要在火柴盒侧面的红磷上摩擦)时,就会引发反应燃烧起来.所以“安全”只是相对的,在保存、运输过程中必须严格注意安全问题.

问题2火柴刚刚划着瞬间的那一阵白烟是什么?它是如何产生的?

白烟是P2O5固体小颗粒弥漫于空气的结果,P2O5是从火柴皮表面蹭下的极少量红磷燃烧产生的.可见,P2O5具有极强的成烟能力,所以军事上的烟幕弹就是运用磷燃烧能产生大量白烟这一特性制造的.

问题3火柴燃烧的是木棍儿,木棍儿是固体,固体燃烧为什么会有火焰呢?

我们知道,只有气态物质燃烧时才会形成火焰.木炭、铁丝在纯氧中燃烧均不会形成火焰,而只是“发出白光”或“火星四射”.而钠、镁等沸点相对较低的金属材料燃烧时,则会因为蒸发气化、蒸气氧化产生火焰,伴随着燃烧产生的固体氧化物颗粒形成的烟.

火柴燃烧初期的火焰来自火柴杆上蘸有的少量石蜡气化产生的蒸气燃烧,此过程还伴有未燃尽的碳粒黑烟.而后期的火焰则来自木棍受热干馏产生的木煤气以及木焦油蒸气的燃烧.将燃着的火柴插入水中熄灭后可观察到木条头上剩余黑色的一截木炭,那便是干馏过程产生的、尚未燃烧的木炭.

问题4为什么火柴头朝上与火柴头朝下燃烧的状况不同?

用过火柴的人都知道,一根火柴擦燃后,将火柴头朝上放置和朝下放置,火柴燃烧的状况是大不相同的——前者火柴燃烧不旺(但可能持续燃烧较长时间);后者燃烧较旺、火焰体积较大,但很快就会烧完.

当我们将燃着的火柴头朝下时,火柴燃烧的火焰会持续预热火柴棍儿,使前端的火柴棍不断受热分解(发生干馏作用),产生更易燃烧的木煤气、木焦油的蒸气,所以火柴烧得就旺盛;而如果让火柴头朝上放置,木棍处于火焰的下部,不易被预热、不易发生干馏作用,于是烧得就慢.如果遇上不易燃烧的硬木火柴棍,则可能烧一会儿就自行熄灭了.