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. 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?

ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
ומכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

21 תגובות

  • משה

    מדוע כאשר אני מדליק יותר

    מדוע כאשר אני מדליק יותר גפרורים זה עובד יותר טוב?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מה 'עובד' יותר טוב

    שלום משה
    מה 'עובד' יותר טוב? אתה מתכוון שהסיכוי שהגפרור ידלק יותר גבוה אם לוקחים כמה גפרורים בהשוואה לגפרור בודד? - זה גם בגלל שגפרור בודד יכול להישבר יותר בקלות בהשוואה לכמה גפרורים, וגם בגלל שבכמה גפרורים יש יותר חומר מדליק, ולכן הסיכוי להדלקה יותר גבוה כי יותר חומר מדליק זה אומר יותר אנרגיית חום שתדליק את המקלות של הגפרורים.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אנונימי

    האם כמות הגפרורים משנה את זמן

    האם כמות הגפרורים משנה את זמן הבערה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נראה שכן

    נראה לי שכן - כמו שגוש עץ גדול בוער יותר לאט מפיסת עץ קטנה. אבל זה לא משנה מה שנראה לי, זה בדיקה שאפשר לעשות בדקה אחת, ותוצאה של ניסוי תמיד הרבה יותר חזקה מ'מה שנראה' (אפילו לי). פשוט אפשר לבדוק ולמדוד זמן.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אנונימי

    כתבה שלא עוזרת

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    במה

    במה היא לא עוזרת, מה העזרה שאתה צריך?

  • יניב

    גילוי הזרחן

    שלום,
    אשמח לדעת אם תוכל לומר לי מי גילה את הזרחן? מקורות רבים טוענים שזהו האלכימאי הניג ברנד אך שהוא לא חשף את תגליתו. אז מי כן בסופו של דבר ידוע לנו שגילה את הזרחן? (רוברט בויל מופיע במקור אחד בלבד שמצאתי)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מקורות מידע אחרים

    שלום יניב
    אני לא חושב שיש לי מקורות מידע אחרים עליך. לפי ויקיפדיה האנגלית (שאמינותה גבוהה ביותר) אכן ברנד גילה את הזרחן, אם כי, בהערת אגב מציינים שיתכן שאלכימאים אחרים גם גילו ההמצאה באופן לא תלוי באותה תקופה. מה שבטוח שזה לא רוברט בוייל - ראה בויקיפדיה האנגלית את הסיפור המעניין:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphorus#Discovery
    ברנד מכר את המתכון ליצור זרחן תמורת 200 תאלרים לאדם בשם קראפט - שסחר במתכון בכל אירופה - וגם בבריטניה, שם פגש את בוייל, ורק אמר לו (לדברי בוייל) שמכינים זרחן מ'משהו שהיה שייך לגוף של אנשים' - ומכאן הצליח בוייל להבין ששתן הוא חומר הגלם - והוא הצליח לשחזר את השיטה, ולשכלל אותה (הוסיף חול ופחם לחיזור).

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • דוד

    התלקחות גפרור בחום

    אשמח לדעת האם גפרור יכול להתלקח בחום?
    כדי לדעת האם לא מסוכן להשאיר קופסת גפרורים באוטו בקיץ.
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    <p>
    שלום דוד, באופן עקרוני, גפרור יכול להתלקח באופן ספונטני בחום. אבל גפרורי הבטיחות של היום לא אמורים להתלקח ספונטנית בחום. בימים עברו הגפרורים היו נדלקים בעזרת הזרחן הלבן שבראשן. הגפרורים היום מכילים רכיבים אחרים שאמורים להגן מהתלקחות ספונטנית בטמפרטורות מתחת ל-150 מעלות צלסיוס.</p>

  • דוד

  • רן

    גפרור בריא לנשימה

    שלום ד"ר אבי סאייג.האם יש פתרון חילופי לגפרורים שהוא יותר בריא(ואיננו מצית), שניתן על ידו להדליק אש ע"י חיכוך של שני חומרים "ירוקים" ?.והאם יש גפרור "בריא" לנשימה? שאלה שלישית האם יש גפרור "בטיחותי" יוץר ממה שמוכרים בחבילת גפרורים סטנדרטית?
    תודה!

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אש על ידי חיכוך חומרים

    שלום רן

    תראה, אם אתה רוצה ליצר אש על ידי חיכוך שני חומרים ירוקים באמת – אתה פשוט יכול להשתמש בשיטות האדם הקדמון של שיפשוף שני מקלות יבשים... אבל, כפי שכתבתי בכתבה – דבר זה מצריך מיומנות רבה וזמן ומאמץ גדולים, כך שלא באמת יכול להוות פתרון.

    אם אתה רוצה להפיק אש בצורה אחרת על ידי חיכוך, אפשר להשתמש בסגסוגת (תערובת מתכות) המכילה את המתכות צריום וברזל, זוהי 'האבן' שנמצאת במציתי אבן, והתכונה של סגסוגת זו היא שכל שיפשוף שלה – למשל בפצירה – מייצר בקלות שובל של ניצוצות איתו אפשר להדליק חומרים – כמו צמר גפן, ראה כאן:

    (ניתן לרכוש בחנויות הישרדות ובאינטרנט תמורת שקלים בודדים)

    אינני מומחה לרעלים, אך באופן כללי צריום וברזל נחשבים פחות מסוכנים מתחמוצות גופרית וזרחן (היוצרים גזים חומציים ורעילים) – שנפלטים בעת התלקחות ראש גפרור.

    פרט להצעה הנ"ל לא ידוע לי על גפרור בריא יותר או בטיחותי יותר מהגפרור המודרני – שצריך לזכור שהוא עצמו תוצאה של עשרות שנות אבולוציה, מחקר ופיתוח – שיצרו מוצר בטיחותי למדי.

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • רן

    הדלקת סיגריה

    שלום, אני אישית לא מעשן. מכר שלי לקח סיגריה הדביק על ראש הסיגריה "האבקה" של הגפרור והדליק את הסיגריה על פס של קופסת גפרורים, האם יש דרך יותר "בריאה", ו/או "בטוחה" עבורו בהדלקת סיגריה כאשר איננו מעוניין /לא לקח מצית או קוספת גפרורים כי השיטה הנ"ל לטעמי לא בטוחה ולא בריאותית(אני מכוון יותר על להדביק/למרוח חומר כלשהו במקום "אבקת"הגפרור, וכאשר מעבירים ראש הסיגריה על פס כלשהו אזי תדלק. (אני לא מעשן מעשן) תודהף אשמח לקבל תשובתך

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נו באמת

    נו באמת, מי שמעשן - לא צורת ההדלקה היא שתפגע בבריאותו אלא עשן הסיגריה עצמה שמכיל חומרים מסרטנים וודאיים ורעלים מסוגים שונים המעלים את הסיכוי לחלות במחלות נוראיות באלפי אחוזים (!) - בהשוואה ללא מעשנים. (ואם רוצה להימנע מגזי הגפרור יכול לנשוף את השאיפות הראשונות 'החוצה' מיד מהפה).

    שיטת ההדלקה היחידה שלא פולטת גזים רעילים היא לגעת במשהו לוהט – כמו מצת של רכב, אשר בו – זרם חשמלי גורם להתלהטות מתכת, שהיא מציתה את האש. באותו אופן גם שימוש בזכוכית מגדלת להדלקת אש בתנאי שטח לא פולט גזים כלל.

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע
     

  • אסף

    הלכה

    "אולי זו הסיבה שעל פי ההלכה היהודית הבערת אש נחשבת עבודה."

    לא, זו לא הסיבה. זה הסבר של מי שלא יודע את הבסיס של הלכות שבת. שלא יודע שמלאכת שבת נקראת מלאכה ולא עבודה. שהבערת זרד באמצעות אש קיימת נחשבה הבערת אש בזמן התלמוד ומעולם לא היה קושי טכני לעשות זאת.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מקבל

    ובכל זאת - זמן התלמוד רחוק 800 שנה (לפחות) מזמן חתימת התורה, והרי מהווה בעצמו פרשנות עליה.
    אבל באמת לא מתווכח, וזה לא אתר בנושא טעמן של מצוות...

  • פינחס

    גם לי המשפט הזה מאוד הפריע...

    אין קשר בין איסור מלאכה לבין הטירחה שנובעת מאותה פעולה, ואפשר להביא לזה המון דוגמאות אבל די בדוגמה שאסף הביא.
    ולדבריך שהתלמוד הוא רק פרשנות על התורה - הרי בתורה שבכתב כתוב בפירוש איסור הבערת אש בנוסף לאיסור עשיית מלאכה. גם כתוב שם שאסור להבעיר אש "בכל מושבותיכם" והרי לדבריך מה ההבדל אם ההבערה היא במקום ישוב או במקום אחר? (מ"מ כדי לא להכשיל - להלכה אסור בכל מקום וכוונת התורה היא שמותר בבית המקדש)
    מכל מקום אבותינו שמסרו לנו את התורה שבכתב מסרו לנו איתה תורה שבעל פה, וכמו שאנו מאמינים למי שמסר לנו את התורה שבכתב שהוא לא שיקר לנו כך אנו מאמינים לו על התורה שבעל פה.
    ומאחר שאין כוונתך להתווכח על זה, ומאחר שזה לא אתר בנושא טעמן של מצוות - אשמח מאוד אם תמחק את המשפט הזה, כי למרבה הצער יש אנשים שמשתמשים בטענה הזו כדי להצדיק חילול שבת, והרי זה אתר שעוסק במדע ולא בטעמן של מצוות כך שאני מניח שאתם לא רוצים שהם גם יחשבו שזו טענה מדעית...
    ודרך אגב, אני חושב שיעניין אותך שבמסכת ביצה כתוב שאסור להוציא (להדליק) אש גם מעפר וגם ממים! וראיתי ששאלו את רב שרירא גאון איך אפשר להוציא אש מעפר וממים. אם זה מעניין אותך ראה בתשובות גאוני מזרח ומערב סימן קמה.

  • פינחס

    תוספת חשובה

    כדי שלא תטרח אכתוב מה שרב שרירא גאון ענה: הדלקת אש עם מים - הם היו תולים צמר גפן מעל כוס זכוכית עם מים, וכנראה שאיכשהו הם ריכזו כך את אור השמש על הצמר גפן ואז הוא נדלק. הדלקת אש עם עפר - היו מטמינים בעפר "צפיעי בקר או צאן" ואחרי שהם נרקבים היתה יוצאת מאש אש מרוב החום. ועוד שיטה ע"י עפר - היתה להם אבן מיוחדת (שנקראת בערבית "נורא") והיו שורפים אותה ואח"כ מצניעים את מה שנשאר ממנה לעת צורך, וכשרוצים להוציא אש אז מזלפין על זה מים ואז הוא "משתלהב" ולוקחים ממנו את האש ע"י גופרית.
    ודרך אגב אתה יכול לראות מכל זה (ומעוד מקומות בדברי חז"ל) שזה ממש לא היה מסובך בשבילהם להדליק אש. חוץ מזה שאם רוצים אפשר להשאיר נר דלוק לעת צורך. ואתה יכול גם להבין שלפני שהמציאו את החשמל אז השימוש באש היה נפוץ מאוד אפילו אצל הגוים, ואני יכול להאריך בזה עוד אבל הנקודה שאני מנסה לומר שהשבט האפריקני הזה שראית בסרט כנראה שהם לא ניחנו בהרבה שכל...
    ובעניין התלמוד רציתי להבהיר (למקרה שזה לא היה מובן) שכל המשניות והברייתות (המופיעות בתלמוד הבבלי ובתלמוד הירושלמי ובזוהר), וכן חלק נכבד מדברי האמוראים (חכמי התלמוד הבללי והתלמוד הירושלמי) והתוספתות, ומדרשים כמו ספרא וספרי ועוד, ועוד ספרים נוספים כמו "ספר אדם הראשון" ו"ספר יצירה" ועוד - הכל היה עובר בעל פה מדור לדור עד שנכתב לפני כאלפיים שנה.

  • יהודה

    p4s4

    יש לי שאלות
    מהו בדיוק ההרכב של גפרור השרדות
    האם שפשוף קל בנייר/קרטון גורם להתלקחות
    האם ישנם גזים רעילים
    תודה על תשובותך

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    גפרור השרדות

    בגפרור השרדות בעצם מערבבים את את הרכיבים שנמצאים על גפרור רגיל עם רכיבים שנמצאים על הקופסא שלו - כך שהכל (גם המחמצנים כמו כלורט האשלגן, וגם המחזרים כמו הזרחן והגופרית, שכאמור נמצאים לרוב בתרכובת של P4S3, נמצאים בראש הגפרור). כך ששיפשוף הגפרור עצמו בכל דבר אחר - מספיק להתניע את התגובה הכימית. גפרורים אלו מעט יותר מסוכנים (כי נדלקים יותר בקלות) מגפרורים רגילים, שבהם יש הפרדה בין הזרחן הדליק לחומרים המחמצנים. לרוב גפרורי השרדות גם מצופים בשעווה או ציפוי דומה - שמונע מהם להספג במים.
    באינטרנט אפשר למצוא 'מתכונים' ליצור גפרורי השרדות מגפרורי בטיחות רגילים, בעיקר על ידי העברת החומר מצידי קופסת הגפרורים לראש הגפרור. כללית מומלץ לא 'לשחק' בדברים כאלה, ולקנות פשוט משהו מסחרי.
    הגזים של גפרורי ההשרדות - לא בריאים לנשימה (כמו גם אלו של גפרור רגיל).

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע