Эта статья больше будет посвящена не разоблачению обмана или мифа, а объяснению интересного эффекта "Спички и магнита". Посмотрите пожалуйста ниже элементарный эксперимент со спичкой и магнитом, который Вы сможете запросто провести у себя дома:
Далее я постараюсь с точки зрения химии и физики обосновать данное явление. Итак, вначале рассмотрим более подробно состав головки спички, а затем плавно перейдём к химическим реакциям при горении спички с подробным описанием воспламенения самой спички.
Согласно Википедии [1] и книги "Замечательные очерки по химии" [2] в состав маленькой спичечной головки входит не меньше шести-семи веществ
Далее приведу из этих же источников состав "тёрки" на спичечном коробке для полноты картины:
Каким же образом спичка после горения становится ферромагнетиком (т.е. притягивается магнитом), если в составе не сгоревшей спички нет вещества с магнитными свойствами (хотя железный сурик, входящий в состав спичечной головки, использовался раньше для нанесения на магнитные ленты кассет, но там использовался немного другой вид сурика, так называемый ферримагнитный γ-Fe2O3 - минерал маггемит. В спичках же используется другая модификация оксида железа, минерал гематит, α-Fe2O3, который ферримагнитными свойствами не обладает)? Для этого нам необходимо ознакомится детально с химическими процессами, происходящими во время горения и выяснить какие продукты реакции возникают.
Итак, Вы чиркнули спичкой о шероховатую поверхность коробка. Что же при этом произошло? Прежде всего воспламенился коробок. В состав коричневой намазки коробка входит красный фосфор (см. таблицу выше). Правда, воспламенить его не так то легко, так как красный фосфор воспламеняется при больших температурах. Однако, под действием тепла (выделяющееся при трении) происходит аллотропическое превращение красного фосфора в белый фосфор, который менее устойчив и более активен, чем красный, — он воспламеняется уже при 50С. Кстати, поверхность коробка не зря делают шероховатой. Головка спички трется об отдельные выступы, энергия как бы концентрируется на них. Достаточно небольшого усилия, чтобы вызвать локальный нагрев отдельных микроучастков, а следовательно, и воспламенение фосфора. Но если коробок загорелся, то что же мешает ему сгореть? Помимо фосфора, в состав намазки коробка входят флегматизаторы (например молотое стекло, гипс, каолин, железный сурик) — вещества, разъединяющие частички фосфора и поглощающие выделенное тепло.Не будь их, для каждой спички пришлось бы делать отдельный коробок... [3]
Итак, частички белого фосфора вспыхнули на коробке и подожгли головку спички. И только теперь начинается собственно горение спички. В какие-то доли секунды в спичечной головке проносится настоящий ураган химических реакций. При температуре около 200С сера, перешедшая при 115° в жидкое состояние, начинает взаимодействовать с бертолетовой солью:
2KClO3 + 3S -> 2KCl + 3SO2
При температурах 370—400С начинается такая реакция:
2KClO3 -> 2KCl + 3O2
Бертолетова соль разлагается, выделяя кислород. Он немедленно вступает в реакцию с серой:
S + O2 -> SO2
Сера пока находится в жидком состоянии, но при 441С она закипает и превращается в пар. Реакция вступает в последнюю фазу — газовую. В это же время идут другие реакции — разлагается калиевый хромпик, горят клеи. [3]
Интересно проследить реакцию взаимодействия калиевого хромпика и серы (смотри в ролике ниже проведение этой реакции):
K2Cr2O7 + S -> Cr2O3 + K2SO4
С горящей головки огонь перебрасывается на осиновую соломку. Но попробуйте сунуть на секунду лучинку в огонь — она не загорится! Соломка спички воспламеняется лишь потому, что под головкой находится тонкий слой парафина. При вспышке начинает действовать миниатюрный «газовый завод»: парафин закипает, и газообразные углеводороды, входящие в его состав, вспыхивают. Они-то и поджигают древесину. Наконец, загорается спичка. Начинается во многом еще таинственный, не изученный до конца процесс сухой перегонки древесины. Образуются десятки и сотни самых разнообразных химических соединений. Они испаряются, претерпевают многочисленные превращения, участвуя в реакциях пиролиза, разлагаются в горячей зоне при недостатке кислорода, выделяя свободный углерод — сажу. Раскаленные частицы сажи ярко светятся. Все эти мгновенные процессы завершаются во внешней зоне пламени, где при избытке кислорода все сгорает, образуя углекислый газ и воду, и где выделяется большое количество тепла. Появляется доброе, светлое пламя спички.
Но спичку надо еще погасить. Не погасшая, беспечно брошенная спичка может причинить не мало бед. Спичка должна сразу погаснуть. Чтобы она не тлела, ее пропитывают фосфорнокислыми солями. При температуре горения они расплавляются и обволакивают уголек. Доступ воздуха к соломке прекращается, и спичка немедленно гаснет. [3]
Из всего этого букета реакций нас пожалуй интересует только одна, чтобы показать магнитные свойства сгоревшей спички. А именно реакция взаимодействия калиевого хромпика с серой, или как химики обычно говорят разложение дихромата калия. Одним из продуктов реакции является оксид хрома (III) Cr2O3.
Окись хрома (III) - тёмно-зелёный порошок, нерастворим в воде, плохо растворим в щелочах и кислотах, обладает магнитными свойствами [4]
Температура плавления 2435 °C, кипения ок. 4000 °C. Плотность 5,21 г/см³. Нерастворим в воде. По твердости близок к корунду, поэтому его вводят в состав полирующих средств.
Интересно будет рассмотреть теорию автора следующей статьи.
Итак, автор статьи предположил, что магнитные свойства сгоревшей спички объясняются образованием магнетита FeO·Fe2O3, как продукта реакции из железного сурика Fe2O3. Но тут же признаёт, что эта гипотеза не верна, так как в составе спичечной головке нет ни железного сурика (он имеется только на спичечном коробке), ни магнетита. Хотя здесь можно поспорить. Например в журнале "Химия вокруг нас" упоминается, что железный сурик входит в состав спичечной головки в качестве наполнителя для уменьшения скорости сгорания смеси, во вторых в качестве минеральной краски. [5]
Только поэтому можно ещё предположить, что магнитные свойства придаёт образовавшийся магнетит. Возможное образование магнетита мы рассмотрим чуть позже, а сейчас продолжу разбор статьи вышеупомянутого автора. Далее автор утверждает, что где-то в комментариях и ссылается на этот источник видел, что в спичечную головку таки добавляют магнетит. Правда он ошибается, так как выше показано, что добавляется не магнетит, а железный сурик для предотвращения взрывного характера горения.
Затем автор рассуждает о точке Кюри. Хотя я не совсем понимаю, причём здесь точка Кюри. Ведь это критическая температура выше которой ферромагнетик необратимо теряет магнитные свойства. Поэтому при охлаждении спички по логике вещей магнетизм спичек должен вообще пропасть, что не наблюдается в опытах.
Заканчивается статья тем, что вопрос остаётся открытым и не разрешённым автором этой статьи. Далее мы попытаемся показать, что образование магнетита возможно при горении спички, учитывая то, что в составе спичечной головке, если верить источнику [5], имеется железный сурик Fe2O3.
Чтобы получить магнетит FeO·Fe2O3 из железного сурика возможны следующие реакции: [6]
- Сжигание железа в парах воды:
3Fe + 4H2O -> FeO·Fe2O3 + 4H2 - Сжигание порошкообразного железа в воздухе:
3Fe + 2O2 -> FeO·Fe2O3 - Взаимодействие железного сурика с оксидом углерода:
3Fe2O3 + СO -> FeO·Fe2O3 + CO4 - Осторожное восстановление оксида железа(III) водородом:
3Fe2O3 + H2 -> FeO·Fe2O3 + H2O
Очевидно, что одна из реакций возможна при горении спички, постольку поскольку в реакции образуются пары воды. Вода образуется при горении древесины самой спички (точнее горение целлюлозы). Эта реакция выглядит следующим образом:
C6H10O5 + 6O2 -> 6CO2 + 5H2O
Также возможно задействуется вода присутствующая в воздухе. К тому же при температуре 600С идёт разложение воды на водород и кислород, а согласно 4-ой реакции железный сурик взаимодействует с водородом, образуя магнетит.
Если предположить верность 1-ой и 2-ой реакции, то нам необходимо каким-то образом иметь в реагентах чистое железо. Единственная реакция для получения чистого железа из железного сурика следующая: [6]
Восстановление до железа водородом:
Fe2O3 + 3H2 -> 2Fe + 3H2O
Вывод:
Отсюда можно сделать следующее умозаключение. Во-первых магнитные свойства придаёт вышеописанный оксид хрома (III), как продукт разложения хромпика. Но концентрация оксида хрома ничтожно мала, вот почему у спичек с зелёной головкой не наблюдается магнитного взаимодействия, хотя хромпик присутствует во всех видах спичек. Зато в зелёных спичках нету железного сурика, почему мы и не наблюдаем притягивание магнитом сгоревших зелёных спичек (смотри видео ниже). Основной вклад в магнитные свойства всё таки даёт магнетит, который как указано выше образуется как продукт горения спичек, в которых присутствует железный сурик.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ:
- Храпковский А. Занимательные очерки по химии. — Л.: Детгиз, 1958. — С. 84.
- Крылов А. Вы чиркнули спичкой… // Химия и жизнь. — 1967. — № 4. — С. 20—21.
- "Химия вокруг нас" Юрий Кукушкин, 28 декабря 2002 года
- Химические свойства неорганических веществ, Р.А. Лидин В.А. Молочко Л.Л. Андреева, 2004 г.
