נוסח השאלה המלא: מהי התגובה הכימית המתרחשת בגפרור ומה יש בצדי קופסת הגפרורים?
היכולת להבעיר אש נחשבת אחד ההישגים הראשונים של האנושות ויש עדויות לשימוש מבוקר שעשה האדם הקדמון באש עוד לפני 800 אלף עד מיליון שנה. אולם עד להמצאת הגפרור הייתה הבערת האש משימה קשה שדרשה מיומנות מיוחדת ומאמץ רב.
ראיתי פעם בסרט תיעודי אדם משבט נידח במרכז אפריקה מבעיר אש בשיטה פרימיטיבית על ידי שפשוף של שני מקלות. זה דרש זמן רב מאוד ומאמץ מתמשך, כי אם היה מפסיק לשנייה את השפשוף המקלות היו מתקררים וכל עבודתו הרבה הייתה יורדת לטמיון והוא היה נאלץ להתחיל את הכול מהתחלה. כאשר הצליח לבסוף ולהבעיר בעזרתו אש, חברי השבט הסתכלו עליו בהערצה כאילו עשה מעשה על-טבעי. (ראו כאן כמה זה קשה להדליק אש באמצעות חיכוך) גם הבערת אש באמצעות הניצוצות שנוצרים בהטחת מוט ברזל באבן צור היא משימה קשה שמצריכה מיומנות גבוהה.
אולי זו הסיבה שעל פי ההלכה היהודית הבערת אש נחשבת עבודה. ההצתה של אש חדשה הייתה עניין כל כך מסובך, עד כדי כך שאנשים בעבר השתדלו להשאיר תמיד גחלת, נר או עששית דולקים בביתם, כדי לשמר את הלהבה.
אח בוערת, תמונה באדיבות ויקיפדיה
במשך אלפי שנים חיפשו אנשים דרכים קלות ומהירות יותר להבעיר אש. פה ושם באמת הושגו הצלחות באמצעות תגובות כימיות, אולם פריצת הדרך האמיתית באה אחרי גילוי היסוד זרחן (Phosphorus, סימול כימי P).
הזרחן מגיב בצורה מתונה עם החמצן שבאוויר אפילו בטמפרטורת החדר (לכן הוא זורח בחושך), ומתלקח לחלוטין כבר ב34 מעלות צלזיוס. מרוב שהוא רגיש, די בשפשוף קל או לחץ כדי להדליק אותו. זאת גם הסיבה שאמנת ז'נבה אסרה את השימוש בפצצות זרחן נגד בני אדם – משום שלמעשה אי אפשר לכבות זרחן בוער. כל עוד הוא חשוף לאוויר יש אש, כך שמדובר בנשק אכזרי בצורה בלתי רגילה. גוש של זרחן שנופל על גוף אנושי יכול לשרוף אותו עד העצם.
עם זאת, יש לדייק – מתברר שהזרחן מופיע בטבע בכמה צורות ששונות זו מזו במבנה הגבישי והמולקולרי שלהן. שתיים מהן הן "זרחן לבן" ו"זרחן אדום". רק הזרחן הלבן בוער בקלות כה רבה – הזרחן האדום הרבה יותר יציב ממנו ומתלקח רק ב-260 מעלות צלזיוס.
בשנת 1830 המציאו באירופה את גפרור הזרחן – קיסם עץ שראשו מצופה בתערובת של זרחן לבן, שעווה, גופרית וחומרי דבק. כשהיו משפשפים את הגפרור בכל משטח, הזרחן היה נדלק ומצית את שאר החומרים, כולל הקיסם. אולם לגפרור זה היו שני חסרונות גדולים. ראשית, הוא היה נדלק מכל שפשוף בכל משטח אחר, כך שלפעמים היה נדלק מעצמו אפילו בתוך הקופסה עקב החיכוך בגפרורים אחרים. ושנית, הזרחן הלבן שבו השתמשו הוא חומר רעיל ביותר. די בכמות של 0.1 גרם זרחן לבן כדי להרוג אדם בוגר.
שלושים שנה מאוחר יותר, בסביבות אמצע המאה ה-19, הופעו לראשונה בשבדיה גפרורים לא מסוכנים שלא כללו זרחן לבן בכלל. גפרורים אלה, שמכונים גם "גפרורי ביטחון" (Safety matches) הם הגפרורים שבהם אנו משתמשים היום. במקום זרחן לבן הם מכילים זרחן אדום – שהועבר מראש הגפרור למשטח השפשוף של הקופסה ובכל מקרה אינו רעיל. ההרכב של גפרורי ביטחון הוא (יש נוסחאות קצת שונות ליצרנים שונים):
ראש הגפרור:
58% כלוראט האשלגן (KClO3). מכונה גם מלח ברתולטי (Berthollet's Salt), משמש כחומר מחמצן.
6% תחמוצת ברזל (Fe2O3). משמש להגברת כוח השפשוף ולמיתון תגובת הבעירה. אינו מרכיב חובה.
6% דו-תחמוצת המנגן (MnO2). חומר מחמצן שמזרז התפרקות מלח ברטולטי אינו מרכיב חובה.
12% אבקת זכוכית, להגברת כוח השפשוף.
10% דבקים.
5% גופרית (S8). חומר מחזר (מתלקח).
3% גיר CaCO3.
שטח השפשוף של הקופסה:
40% אנטימון גופרתי (Sb2S3). חומר מחזר (מתלקח). אינו מרכיב חובה. יש יצרנים שמוסיפים אותו דווקא לראש הגפרור.
24% זרחן אדום. חומר מחזר (מתלקח), אם לא מוסיפים אנטימון גופרתי לשטח השפשוף, אזי אחוז הזרחן האדום יכול לעלות עד 50%.
4% דו-תחמוצת המנגן.
4% אבקת פחם.
28% אבקת זכוכית, דבקים וחומרי מילוי ונפח.
יצרני גפרורים שונים עשוים להשתמש בהרכבים מעט שונים של חומרים, אולם כל גפרור חייב להכיל מלח ברטולטי, גופרית וזרחן.
ככלל, עקרון הפעולה של הגפרור מבוסס על תערובת של חומרים מחמצנים חזקים עם חומרים מחזרים חזקים, שכל מה שנחוץ להם כדי להגיב זה תוספת של מעט אנרגיית שיפעול שתתחיל את התהליך (להסבר על אנרגיית שיפעול ראו כאן). אותו עקרון פעולה משמש גם בהרבה חומרי נפץ ואבקות שריפה.
גפרור מתלקח, צילום: Sebastian Ritter, תמונה באדיבות ויקיפדיה
ברגע שהתהליך מתחיל נוצרת אש שמספקת את האנרגיה להמשך התהליך ולהבערת קיסם העץ. ספק האנרגיה להדלקת הגפרור הוא השפשוף: בעקבות חיכוך ראש הגפרור בשטח השפשוף של הקופסה, חלק קטן מהזרחן האדום הופך ללבן - שכאמור מתלקח בקלות, ומיצר חום שגורם לשחרור חמצן חמצן (O2) מהחומרים המחמצנים המכסים את ראש הגפרור, כגון כמו המלח הברטולטי. התהליך פועל לפי התגובה:
(2KClO3(s) → 3O2(g) + 2KCl(s
החמצן הזה מדליק חלקית גם את הזרחן האדום, שנמצא במשטח השיפשוף, ובעיקר האנטימון הגופריתי. הללו, בתורם, מציתים את הגופרית שבראש הגפרור, שבוערת ביתר שאת עקב המשך שחרור החמצן מהמחמצנים. לבסוף נדלק גם הקיסם, שגם הדלקתו מואצת בזכות שחרור החמצן מהמחמצנים.
בתגובה עם החמצן הופכת הגופרית לגופרית דו-חמצנית ותלת-חמצנית (SO3, SO2); הזרחן הופך לתחמוצת הזרחן (P2O5); והמלח הברטולטי הופך לאשלג (KCl). לא מומלץ לנשום את העשן שעולה בעת הדלקת ראש הגפרור, משום שהתחמוצות של גופרית וזרחן נהפכים לחומצות במגע עם לחות, ועלולים לצרוב את קנה הנשימה.
קופסת גפרורים, צילום: Halibutt, תמונה באדיבות ויקיפדיה
בשימוש מיומן אפשר להדליק גפרור גם על ידי שפשופו ברצפה. צריך לעשות את זה חזק ובאופן ממושך מספיק, כדי שהגופרית תידלק בלי עזרת הזרחן שבצדי הקופסה.
כמו-כן, ישנם "גפרורי הישרדות" שנדלקים על ידי שפשוף בכל עצם שהוא. הגפרורים האלה מכילים את התרכובת P4S3 שאמנם מסוכנת פחות מזרחן לבן, אבל נדלקת בקלות רבה.
עדכון מאי 2018 - כתבה נרחבת הכוללת סרטון אנימציה שהכנו על ההיסטוריה של הגפרורים כולל הסבר איך גפרור עובד?
