Zapalniczka i zimne ognie

Na sylwestra, na święta, dla zabawy. W noc ciemną bierzemy do ręki pałeczki zimnych ogni i zapalamy, na przykład zapalniczką. Ale nie zawsze zauważamy że zapalenie zapalniczki i zapalenie zimnych ogni, ma ze sobą coś wspólnego.

To co popularnie nazywamy zimnymi ogniami, to pałeczki z cienkiego drucika pokrytego masą pirotechniczną. Podstawowy skład jest dosyć prosty - utleniacz, opiłki metalu i lepiszcze. Dokładne składniki zależą już od producenta, zwykle w charakterze utleniacza stosuje się saletrę potasową lub azotan baru albo też chloran potasu, zaś metalem są drobne opiłki żelaza z domieszką magnezu lub glinu, natomiast za lepiszcze służy klej dekstrynowy. Dlaczego zatem po zapaleniu takiej mieszanki, zaczynają strzelać z niej jasne iskry?

Mieszanka użyta w zimnych ogniach jest bardzo podobna do prochu, i działanie jest w pewnym stopniu podobne. W wysokiej temperaturze, utleniacz rozkłada się, przekazując tlen cząstce metalu. Ten utlenia się i rozgrzewa aż do temperatury białego żaru, zaś cząstki na zewnętrznej powierzchni są wyrzucane gazami z rozkładu utleniacza i spalenia lepiszcza. Iskra taka trwa dosyć krótko, zwykle gasnąc i stygnąc po przeleceniu kilkunastu centymetrów, stąd drobne iskierki zwykle nie wywołują oparzeń ręki, i dlatego też otrzymały taką popularną nazwę. Z drugiej strony wyraźne czerwone świecenie pręcika powinno nam uświadomić, że fajerwerk ten jest jednak bardzo gorący, upuszczony na dywan lub ubranie może wypalić w nim dziurę.
Inną sytuacją gdy obserwujemy iskrzenie drobnych cząstek metalu, jest cięcie bądź szlifowanie metalu za pomocną szybko obrotowych narzędzi. Powstające wówczas snopy iskier, to właśnie rozżarzone opiłki utleniające się na powietrzu. Zachowanie się metalu podczas obróbki jest w dużym stopniu zależne od składu, jedną z technik prostego określenia z jakiego typu stopem mamy do czynienia, jest metoda iskrowa, polegająca na skrzesaniu iskier szlifierką. Stal niskowęglowa, miękka, daje iskry krótkie i nie rozgałęziające się, stal twarda o wysokiej zawartości węgla daje iskry pękające w powietrzu na snopy drobniejszych iskierek, stopy tytanu dają białe, oślepiająco jasne iskry.

Dlaczego jednak, skoro brak tu jak w przypadku zimnych ogni utleniacza, opiłki metalu iskrzą przy takiej obróbce? Energii dostarcza głównie ciepło tarcia, wystarczające aby metal zaczął się żarzyć, ponadto zaś jeśli drobina metalu jest odpowiednio mała, może zapalić się w powietrzu samoistnie wskutek powierzchniowego utleniania. Substancje samorzutnie zapalające się na powietrzu, nazywamy piroforycznymi, i są to głównie metale aktywne, dla których termodynamicznie trwała jest forma utleniona i które nie ulegają pasywacji. Efekt taki może dać na przykład pył magnezu lub tytanu, ale stosunkowo znanym przykładem jest piroforyczne żelazo:

Można je dość łatwo otrzymać, przez termiczny rozkład szczawianu żelaza w wąskiej próbówce. Powstający przy rozkładzie dwutlenek węgla wypiera powietrze i zapalenie się następuje dopiero po wytrząśnięciu pyłu. Wiele pyłów metali zapala się po zainicjowaniu iskrą, co może przybrać formę eksplozji tak jak wybuch pyłu węglowego. Tragicznym tego przykładem była eksplozja pyłu aluminium w Gorzowskich zakładach Italian Look w 2001 roku, gdy na hali szlifowania części ekspresów do kawy silny wybuch poparzył pracowników - pięciu zmarło.[1] Wśród winnych znalazła się też zakładowa instruktorka BHP które tłumaczyła w sądzie, że nie wiedziała, że pył metalu może wybuchnąć.

Wróćmy jednak do iskier krzesanych przez metal. Powstawanie takich gorących cząstek w wyniku uderzenia o metal twardym przedmiotem, miało w minionych wiekach bardzo pożyteczne zastosowanie w krzesiwkach do krzesania ognia.

Krzesiwo było kawałkiem twardego żelaza, zazwyczaj o wygiętym kształcie, który energicznie uderzano w kamień, zazwyczaj krzemień. Powstające iskry odskakiwały w kierunku krzesania, spadając na hubkę, która będąc łatwopalna chętnie zajmowała się od rozżarzonych okruchów. Jeśli dmuchając udało się rozdmuchać hubkę do pojawienia się ognia, można było dokładać listki, słonki, gałązki itp. aż do ogniska. Hubka będąca rozpałką, stanowiła gąbczasty, częściowo zdrewniały miąższ grzybów nadrzewnych, zwłaszcza hubiaka pospolitego (o starożytności metody świadczy jego nazwa łacińska Fomes fomentarius znacząca dosłownie zapałka zapalająca), nasycony saletrą i rozdrobniony; czasem w zastępstwie używano częściowo zwęglonych strzępków tkaniny lub roślin. Zamiast żelaza użyty mógł być zbity piryt, którego cząstki spalają się w powietrzu, skąd zresztą wziął swą nazwę (pyrites czyli iskrzący).
Sposób ten znany od starożytności, stosowany był aż do XIX stulecia gdy zaczęto stopniowo wprowadzać zapałki, choć zapewne gdzieniegdzie używano go u początków minionego wieku. Tą prostą metodę krzesania udało się zautomatyzować, tworząc mechanizm skałkowy, który już w XVII wieku zastosowano w muszkietach i pistoletach, to zaś zmieniło oblicze wojny i obronności. Mechanizm składał się z dwóch podstawowych części - kurka, w którego szczękach tkwił kawałek krzemienia, oraz krzesiwka, mającego postać blaszki w kształcie litery L na małym zawiasie. Naciśnięcie spustu uwalniało kurek, który napinany sprężyną uderzał w sterczącą blaszkę krzesiwa. To odskakiwało, przez pewien czas intensywnie trąc o krzemień i krzesząc iskry snopiące na odsłoniętą panewkę z prochem.

I choć nikt tego wówczas nie wiedział, mechanizm był pierwowzorem dla zapalniczki, bardzo w późniejszym czasie przydatnego urządzenia.

Pierwsze próby zapalania takim mechanizmem czegoś więcej niż prochu, pojawiały się już dawno - po prostu kładziono na panewkę kawałek hubki. Pomysł jednak najwyraźniej nie był rozwojowy, skoro przenośne konstrukcje bardziej przypominające zapalniczki pojawiają się dopiero w XIX wieku, gdy chemik Dobereiner wynajduje chemiczną zapalarkę - był to mały aparat Kippa, w którym cynk reagował z kwasem siarkowym. Powstający wodór kierowano dyszą na gąbczastą platynę, na tyle silnie katalizującą utlenianie wororu, że zapalał się on niedużym płomieniem. Była to konstrukcja kłopotliwa z uwagi na rozmiary i niebezpieczny kwas.
W połowie tegoż wieku pojawiły się mechanizmy oparte na stalowym kole ciernym krzeszącym iskry na knot nasączony alkoholem, były to jednak urządzenia zawodne z uwagi na wcale nie tak łatwe skrzesanie iskry. Przełom nastąpił dopiero w 1903 roku, gdy Auer von Welsbach, trochę dziś zapomniany wynalazca kilku urządzeń oświetleniowych* odkrył szczególne, piroforyczne właściwości żelazoceru - stopu żelaza z mieszaniną lantanowców otrzymywanych z piasku monacytowego. Był to materiał na tyle łatwo dający dobrze zapalające iskry, że wyposażone w niego zapalniczki stały się poważnym konkurentem zapałek.

Współczesne zapalniczki iskrowe zawierając mechanizm cierny, w którym kamień zapalniczkowy (pręcik żelazoceru lub masa krzemianowa z pyłem żelaza) przyciskany sprężynką do karbowanej powierzchni stalowego kołka, krzesze iskry po szybkim obróceniu tymże kółkiem. Te zapalają gaz uwalniany przez zaworek po przyciśnięciu stopki, bądź opary benzyny w zapalniczkach z knotem nazywanych Zippo.

Lantanowce, nazywane metalami ziem rzadkich, są pierwiastkami mającymi bardzo szerokie zastosowanie w technologii, w tym w fotowoltaice, z tego też powodu są drogie. Jednak stop używany w zapalniczkach jest dosyć tani - na koszt czystego pierwiastka składa się głównie koszt oczyszczania, które ze względu na to, że lantanowce występują na raz w tym samym minerale i mają niezwykle podobne właściwości chemiczne jest dość trudne.
Obecnie coraz częściej ten typ wypierany jest przez zapalniczki piezoelektryczne, gdzie czynnikiem zapalającym jest iskra elektryczna wytworzona przez pewne ściskane kryształy.

No i na koniec mała ciekawostka która zainspirowała ten wpis - nie wszystkie cząstki kamienia zapalniczkowego spalają się przy iskrzeniu - małe cząstki pozostają i mogą zapalić się w sprzyjających okolicznościach, na przykład w gorącym powietrzu nad palnikiem kuchenki gazowej, co wielokrotnie obserwowałem.

--------
* Auer wymyślił na przykład "koszulki żarowe" do lamp gazowych, czyli bawełniane nasadki na końcówkę dyszy spalającej gaz. Po wypaleniu bawełny pozostaje szkielet soli toru i ceru, którymi była nasączona, żarzący się w płomieniu jasnym, białym światłem. To on wpadł też na pomysł że w żarówkach Edisona lepszym żarnikiem niż węgiel będzie cienki drucik wysokotopliwego metalu. Poza tym odkrył kilka pierwiastków.
[1] http://www.polskieradio.pl/5/3/Artykul/591234,Wybuch-w-fabryce-w-Gorzowie-Wlkp-Pracownik-aresztowany