Химия в быту

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.

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.

В современной зажигалке воспламенение  горючего производится под действием искры, получающейся от сгорания мельчайшей частицы «кремня», срезанной зубчатым колесиком. «Кремень» представляет собой смесь редкоземельных металлов (лантаноидов). В мелкораздробленном состоянии эта смесь пирофорна, т. е. самовоспламеняется на воздухе, образуя искру.

Однако более ранний пирофор  изготавливали из смеси поташа К₂СО₃ и высушенных квасцов K₂SO₄ ∙ Al₂(SO₄)₃.К нему добавляли мелкодисперсный уголь или сажу и нагревали до каления без доступа воздуха. Порошок охлаждали и помещали в герметически закрытый сосуд, откуда он мог извлекаться по мере необходимости, Для добывания огня порошок высыпался на трут, вату или тряпки и уже в воздухе воспламенялся. Считают, что при прокаливании на оставшихся частичках угля образуется мелкодисперсный металлический калий, который, окисляясь на воздухе, и служит инициатором воспламенения.

Важнейшим этапом на пути к современным  спичкам было введение в состав массы  спичечной головки белого фосфора (1833). 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 начади, изготавливать в Швеции в 1867—1869 гг.

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.

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 раскаленный шлак от сгоревшей головки. Необходимость последнего обусловливается стремлением обезопасить потребителя от прожогов одежды при попадании раскаленного шлака. 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. Она же закрепляет шлак от головки. В качестве противотлеющих веществ используют фосфорную кислоту и ее соль (NH₄)₂HPO₄.

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 (КС1О₃, КгСг₂О₇, 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, Fe₂Оз); склеивающие вещества (клеи), которые одновременно являются и горючими; стабилизаторы кислотности (ZnO, СаСОз и др.); вещества, окрашивающие спичечную массу в определенный цвет (органические и неорганические красители).

По количеству кислорода, выделяемого  на одну массовую часть, хромпик К₂Сr₂О₇ уступает бертолетовой соли КСlO₃, но зажигательные составы, содержащие первый окислитель, воспламеняются значительно легче. Кроме того, хромпик улучшает качество шлака.

Пиролюзит MnO₂ играет двойную роль: катализатора разложения бертолетовой соли и источника кислорода. Оксид железа (III) Fe₂O₃ также выполняет две функции. Он является минеральной краской (цвет ржавчины) и существенно уменьшает скорость горения массы, делая горение более спокойным.

Температура горения спичечных  головок достигает 1500 ⁰C, а температура их воспламенения лежит в пределах 180 – 200 ⁰С.

Фосфорная (терочная) масса также является

Бумага и карандаши

Сохранились документы, указывающие  на то, что в 105 г. н. э. министр китайского императора организовал производство бумаги из растений с добавками тряпья. Около 800.г. такая бумага получила широкое распространение в Китае, а также на Ближнем Востоке. Знакомство с бумагой европейцев связано с крестовыми походами на Ближний Восток — в Сирию, Палестину, Северную Африку, организованными западно-европейскими феодалами и католической церковью (первый поход состоялся в 1096—1099 гг.). В эпоху раннего средневековья (до начала крестовых походов) для письма в Европе использовался главным образом папирус. В Италии им пользовались еще в XII в.

Письменность же была известна в  Египте и Месопотамии с конца IV и начала III тысячелетия до н. э., т. е. задолго до изобретения бумаги. Как уже было отмечено, основными предшественниками бумаги как материала, на которое наносилось письмо, были папирус и пергамент.

Растение папирус (Cyperus papyrus) произрастает в Египте в болотистой местности около реки Нила. Стебель растения очищали от коры и луба и из белоснежного материала нарезали тонкие полосы. Их укладывали слоями вдоль и поперек, а затем механическим давлением выжимали из них растительный сок. Этот сок сам обладает способностью склеивать полосы папируса. Позднее для скрепления полос стали применять клей, приготовленный из невыделанных шкур или муки. После высушивания на солнце получающиеся листы шлифовали камнем или кожей. Папирус для письма стали изготовлять около 4000 лет назад. Считают, что и название бумаги (papiera) происходит от слова папирус.

Пергамент — это невыделанная, но освобожденная от волос и обработанная известью звериная, овечья или козлиная кожа. Так же, как и папирус, пергамент — прочный и долговечный материал. Хотя бумага менее прочна и долговечна, она более дешева и потому более доступна для широкого использования.

Волокна целлюлозы в древесине  связаны между собой лигнином. Для удаления лигнина и освобождения от него целлюлозы проводят варку  древесины. Распространенным способом варки является сульфитный. Он был разработан в США в 1866 г., а первый завод по данной технологии был построен в Швеции в 1874 г. Широкое промышленное значение способ получил с 1890 г                                                                                                                                                                                                             По этому способу для отделения лигнина и некоторых других веществ, содержащихся в древесине, последняя варится в сульфитном щелоке, который состоит из Са(НSОз)₂, H₂SO₃ и SO₂.

Для обеспечения прочности соединения частиц пигментов с бумагой-основой требуются связующие. Часто их роль выполняют вещества, обеспечивающие проклейку бумаги. В качестве минеральных пигментов широко используют каолин — землистую массу, близкую по составу к глинам, но по сравнению с последними характеризующуюся пониженной пластичностью и повышенной белизной. Одним из старейших наполнителей является карбонат кальция (мел), потому такие бумаги и назвали мелованными. К известным пигментам также относятся диоксид титана ТiO₂ и смесь гидроксида кальция Са(ОН)₂ (гашеной извести) и сульфата алюминия A1₂(SO₄)₃. Последний, по существу, является смесью сульфата кальция CaSO₄ и гидроксида алюминия А1(ОН)з, которые получаются в результате обменной реакции.

Для изготовления рабочей части  графитового карандаша готовят смесь графита и глины с добавкой небольшого количества гидрированного подсолнечного масла. В зависимости от соотношения графита и глины получают грифель различной мягкости — чем больше графита, тем более мягкий грифель. Смесь перемешивают в шаровой мельнице в присутствии воды в течение 100 ч. Приготовленную массу пропускают через фильтр-прессы и получают плиты. Их подсушивают, а затем из них выдавливают на шприц-прессе стержень, который режут на части определенной длины. Стержни в специальных приспособлениях высушивают и исправляют возникшую кривизну. Затем их обжигают при температуре 1000—1100°С в шахтных тиглях.

В состав грифелей цветных карандашей входят каолин, тальк, стеарин (широкому кругу людей он известен как материал для изготовления свечей) и стеарат кальция (кальциевое мыло). Стеарин и стеарат кальция являются пластификаторами. В качестве связывающего материала используют карбоксиметилцеллюлозу. Это клей, используемый для наклейки обоев. Здесь его также предварительно заливают водой для набухания. Кроме того, в грифели вводят соответствующие красители, как правило, это органические вещества. Такую смесь перемешивают (вальцуют на специальных машинах) и получают в виде тонкой фольги. Ее измельчают и полученным порошком набивают пистолет, из которого и шприцуют смесь в виде стержней, которые режут на куски определенной длины и затем сушат. Для окраски поверхности цветных карандашей используют те же пигменты и лаки, которыми обычно окрашивают детские игрушки. Подготовку деревянной оснастки и ее обработку проводят так же, как и для графитовых карандашей.

Стекло

История стекла уходит в глубокую древность. Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые керамические изделия, так как для его производства требовались более высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших керамических изделий было достаточно только глины, то в состав стекла необходимо минимум три компонента.

В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2—3 %. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в ничтожных количествах (десятые доли %) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na₂CO₃, то удается сварить стекло при более низкой температуре.(на 200—300°). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент — известь, известняк, мел. Все они характеризуются одной и той же химической формулой — СаСО₃.

Стекло, исходными компонентами шихты  которого является кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90 % получаемого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с уравнениями:

Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂

СаСОз → СаО + СО₂

В результате в состав стекла входят оксиды SiO₂, Na₂O и СаО. Они образуют сложные соединения — силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.

В стекло вместо Na₂O с успехом можно вводить К₂О, а СаО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Аl₂О₃, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их количеством, получают стекла с заданными свойствами. Например, оксид борной кислоты В₂О₃ приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увеличивают растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют стекло с малым их содержанием.

Окраску стекла осуществляют введением  в него оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соответственно. Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS • 3CdSe — в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта(II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших — фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом — зеленый. Оксид марганца (II) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом — сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.