כיצד ערבוב של שני חומרים לא כל כך דליקים עם חומר שאינו דליק כלל יוצרים חומר דליק ביותר?

לפני כ-1200 שנה התגלתה בסין הנוסחה ליצירת אבק שריפה. יצאנו לנסות לשחזר את המתכון המקורי ולהבין כיצד הוא עובד. צפו בסרטון:

היסטוריה ארוכה ועקובה מדם

הדבר הוודאי לגבי ההיסטוריה של אבק השריפה זה שהוא הומצא בסין. זהות הממציא ואפילו המאה שבה הוא הומצא לוטים בערפל: רמזים לקיומו, כמו איזכור הרכיבים שלו נמצאים בכתבים סיניים עתיקים עוד מהמאה השנייה לספירה, האזכור הראשון למשהו שמזכיר אבק שריפה כחומר הבוער באש רבה ובעל 'מתכון' דומה למתכון הנוכחי הוא מתוך טקסט סיני משנת 858 לספירה שנקרא: "יסודות מסווגים של הדרך המסתורית של המקור האמיתי של הדברים" (Classified Essentials of the Mysterious Way of the True Origin of Things) שכותב כך: "...יש שחיממו יחד גופרית, ארסן-גופריתי, מלחת ודבש. עשן ולהבות עלו כך שידיהם ופניהם נשרפו, ואפילו הבית כולו נשרף".

שנת 904 היא השנה הראשונה שבה מתועד שימוש באבק שריפה שחור, כפי שאנו מכירים אותו היום – כאמצעי מלחמתי במה שנקרא 'חצי אש' שאלו חצים שחיברו אליהם מעיין כדור בוער / פצצה המבוססת על אבק שריפה. שימו לב שבתקופה זו אבק השריפה שימש חומר בעירה בלבד, ולא כחומר המשלח דברים, כמו פגזי תותחים.

'חץ אש' סיני – השימוש המלחמתי הראשון באבק שריפה | מתוך ספר מלחמה סיני מהמאה ה-17
'חץ אש' סיני – השימוש המלחמתי הראשון באבק שריפה | מתוך ספר מלחמה סיני מהמאה ה-17

מאז השימוש באבק השריפה נעשה נפוץ ברחבי סין והמזרח הרחוק. במהלך השנים אבק השריפה התחיל לשמש בסין גם לצרכי בידור: פירוטכניקה, זיקוקי די-נור 'מזרקות אש' וכו':

איור המתעד מופע פירוטכניקה בסין, שושלת מינג המאה ה-17
איור המתעד מופע פירוטכניקה בסין, שושלת מינג המאה ה-17

ומהצד השני בסין הומצאו גם כל ההמצאות המלחמתיות הידועות לשמצה המבוססות על אבק שריפה: רובה, תותח ואפילו סוג של רקטה:

תותח, רובה ורקטה מתוך ספר המלחמה הסיני הולונג'ינג (Huolongjing) שנת 1350
תותח, רובה ורקטה מתוך ספר המלחמה הסיני הולונג'ינג (Huolongjing) שנת 1350

הידע להכנת אבק השריפה הגיע למזרח התיכון רק באמצע המאה ה-13 ובסוף אותה מאה גם לאירופה. השימוש העיקרי שלו היה בכלי מלחמה. לא יהיה זה מוגזם לומר שבמהלך השנים הוא גרם למותם של מיליוני בני אדם במלחמות ועימותים – בין אנשים, עמים ומדינות. אולם צריך לזכור ש'אבק השריפה' עצמו הוא לא בעל רצון, ולא טוב או רע – הוא המצאה מדעית-טכנולוגית. בכל מקרה בני האדם הם אלה שבחרו להשתמש בו בעיקר לרעה.

בשנת 1880 הומצא אבק השריפה נטול העשן ומתחיל להחליף במהירות את אבק השריפה הסיני השחור. יתרונותיו כה רבים שבמלחמת העולם הראשונה, שפרצה 34 שנים מאוחר יותר – אף צבא מודרני כבר לא השתמש באבק השריפה השחור ובכך למעשה באו לקיצן 1000 שנות שימוש באבק שריפה שחור כחומר מלחמה. מעניין לציין שהשימוש הבידורי בחומר – כלומר לפירוטכניקה וזיקוקי דינור נשמר עד ימינו.

לייצור אבק השריפה המודרני - קורדיט - דרוש אצטון, ואת הבעיה של אספקת אצטון לבריטניה במלחמת העולם הראשונה פתר המדען היהודי חיים ויצמן, שגילה כמה שנים דרך יעילה לייצר אצטון בעזרת חיידקים, וכך סלל את הדרך ליצירת הקשרים הפוליטיים שהניבו את הצהרת בלפור

הלא דליקים הנדלקים

המתכון לאבק השריפה השחור כולל שלושה רכיבים בלבד: 75 אחוז חנקת אשלגן, 15 אחוז פחם ו-10אחוז גופרית. אם מסתכלים על כל אחד משלושת הרכיבים – מצד אחד, ועל התוצאה (אבק שריפה) – מצד שני, אז מופתעים: התוצאה הסופית היא מאוד דליקה, ואילו כל אחד מהרכיבים הוא דליק במידה מעטה. פחם או גופרית בוערים באיטיות ובמתינות וחנקת האשלגן אינה דליקה כלל. אז כיצד זה יתכן?

כדי להבין זאת, יש להכיר תחילה את מה שנקרא 'משולש האש' – שלושת הדברים שדרושים כדי שאש תבער, והם: חומר דליק, חום, וחומר מחמצן (בדרך כלל מדובר בחמצן שבאוויר). אם שלושת הדברים מתקיימים – יש אש, ואם חסר אפילו גורם אחד – אין אש.

פחמן וגופרית הם חומרים דליקים – אם מדליקים אותם באוויר הפתוח, החמצן שנמצא באוויר הוא זה ששורף אותם. הקצב שבו החמצן שבאוויר פוגע בחומרים הדליקים קובע למעשה את קצב האש (שהוא איטי יחסית). באבק השריפה החמצן שבאוויר מוחלף על ידי חנקת האשלגן.

חנקת האשלגן / אשלגן חנקתי – שידוע גם בשמות עתיקים יותר כמו 'מלחת', 'מלח אבן' (תרגום מילולי מאנגלית saltpeter) ו'מלח סיני' (מערבית) הוא חומר בעל הנוסחה הכימית KNO3. ניתן להשיג אותו כמרבץ שנמצא במקומות שונים בעולם. בהקשר הזה מעניין לציין שבדרום אמריקה / בצ'ילה ישנה רצועה של מה שמכונה "מלחת צ'ילה" – רצועה צרה יחסית לאורך חופי הים, של לשלשת ציפורים שנצברה במשך מיליוני שנים, התפרקה, וכיום מכילה תערובת של חנקת אשלגן (KNO3) וחנקת הנתרן (NaNO3). גם חנקת האשלגן וגם חנקת הנתרן (במקורות שונים התערובת עצמה היא ה"מלחת") יכולים לשמש כרכיב לאבק השריפה, אולם כיוון שחנקת הנתרן היא חומר סופח מים (היגרוסקופי), עובדה המפריעה לבעירה, ואילו חנקת האשלגן אינה סופחת מים, עם השנים עבר השימוש באבק השריפה לחנקת האשלגן נקייה. היום כבר ניתן ליצר חנקת אשלגן בשיטה כימית באמצעות מחצבים אחרים.

בכל אופן, הסוד לבעירה העוצמתית של אבק השריפה טמון בחנקת האשלגן (סצפיפית בחנקה עצמה). כאשר מחממים חנקת אשלגן היא מתפרקת ופולטת גז חמצן טהור (O2) לסביבה, לפי המשוואה הכימית:

2KNO3(s) --> 2KNO2(s) + O2(g)

מכאן ברור כי כדי שאבק שריפה יבער לא דרוש למעשה חמצן מהאוויר – כי יש לו מקור של חמצן 'פנימי'. חמצן טהור, בניגוד לאוויר, שורף חומרים בצורה עוצמתית מאוד. למעשה חנקת האשלגן לא פועלת רק במנגנון עקיף, כלומר פליטת גז חמצן ששורף את החומרים האחרים, אלא היא עצמה חומר מחמצן – שיכול להגיב באופן ישיר עם החומרים האחרים ולגרום לאש.

אבקות מאיצות ותגובה מסובכת

מכיוון שמדובר בשלושה חומרים מוצקים שצריכים להגיב זה עם זה, התגובה מוגבלת לשטח המגע של כל חומר עם החומרים האחרים. כאשר טוחנים את החומרים לאבקה דקה מגדילים את שטח הפנים שלהם ובכך גם את שטח המגע שלהם אלו עם אלו, וכך מאיצים מאוד את קצב התגובה - כלומר את קצב הבעירה.

אנימציה המראה את הגדלת שטח המגע בין חומרים באמצעות טחינה
טחינה או כתישה של חומרים מוצקים מגדילה את שטח הפנים שלהם, וכך את שטח המגע ביניהם   | אנימציה: נעמה זיו חיון

הגופרית בתערובת משמשת בתפקיד כפול: כמו הפחמן היא משמשת חומר דליק, אבל בניגוד לפחמן הגופרית ניתכת בטמפרטורה נמוכה יחסית והופכת לנוזל לוהט. הנוזל הזה, כדרך הנוזלים, זורם למקומות שכנים ובכל מסייע להסיע את החום בתוך האבקה ממקום למקום – וכך מאיץ את הבעירה.

היחסים בין החומרים (75:15:10) – התגלו בעבר בשיטה של 'ניסוי וטעייה' – כלומר אנשים ניסו תערובות שונות עד שגילו את התערובת הטובה ביותר. מאחורי היחסים הללו מסתתר משהו עמוק הקשור לאופי התגובה הכימית המתרחשת. תגובה כימית תתרחש בצורה היעילה ביותר כאשר היחסים הכמותיים בין החומרים המגיבים בה זהים ליחסים הנמצאים ב'משוואה הכימית' של התגובה המתרחשת. לפיכך היחסים שנמצאו מיצגים למעשה את היחסים בתגובה הכימית המתרחשת בין הפחמן (C) הגופרית (S8) וחנקת האשלגן (KNO3). אולם במקרה של אבק שריפה התגובה מסובכת ביותר – בחינת התוצרים מראה תוצרים רבים מאוד – גזים (מסומן (g) ) מוצקים (s), כך שלמעשה תגובות רבות מאוד מתרחשות במקביל. המשוואה המדוייקת ביותר לתיאור התהליך המתרחש היא כדלקמן:

74KNO3(g) + 96C(s) + 3¾S8(s) + 16H2O(l)--> 35N2(g) + 56CO2(g) + 14CO(g) + 3CH4(g) + 2H2S(g) + 4H2(g) + 19K2CO3(s) + 7K2SO4(s) + 8K2S2O3(S) + 2K2S(S) + 2KSCN(S) + (NH4)2CO3(S) + C(S) + ⅛S8(S)

(אני חייב לציין שזו משוואת התגובה המסובכת ביותר שאני ככימאי נתקלתי בה בימי חיי, תרגיל מאתגר למבינים בכימיה – לבדוק את איזון התגובה... למי שמזהה - התווספו מים לרשימת המגיבים - זוהי לחות שנמצאת באופן טבעי בפחם)

הגזים הרבים הנפלטים במהלך התגובה, ולא האש עצמה, הם הבסיס לשימוש באבק השריפה כחומר מלחמה ברובים תותחים וטילים – על כך בהרחבה בכתבה הבאה, יחד עם התשובה לחידה שבסוף הסרטון: איפה יבער אבק השריפה מהר יותר: באוויר הפתוח או בתוך חור האטום מכל צדדיו, אתם מוזמנים לכתוב את תשובותיכם גם כאן בתגובות לכתבה.

12 תגובות

  • אנונימי

    מה טמפרטורת הבעירה הממוצעת של

    מה טמפרטורת הבעירה הממוצעת של אבק השריפה ומה המקסימום?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מחקר בנושא

    מחקר שמצאתי בנושא כאן:

    http://pyrobin.com/files/Black%20Powder5.pdf 
    A Temperature-Profile Study of the Combustion of Black Powder and its Constituent Binary Mixtures

    הם מדדו טמפרטורה מקסימלית של עד כ-1400 מעלות צלזיוס בבעירה. הם לא מציינים ממוצע, אבל לפי הגרף במאמר (תמונה 1 בו) הרוב בוער בסביבות 800-1000 מעלות.

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

  • אנונימי

    טמפרטורת הבעירה.

    תודה על התשובה המהירה, זה עניין אותי כי הכנתי קצת בעצמי (כ3 כפות) ושמתי על נייר אלומיניום כדי שהרצפה לא תתלכלך, והאלומיניום נשרף כמעט לגמרי, היה לו חור ענק סביב השטח שהאבקה הייתה בו. חשבתי שזה היה בגלל שזה היה מאוד דק, (רק שכבה אחת) אז לקחתי שוב וקיפלתי את האלומיניום שיהיה עבה ועדיין קרה אותו דבר, אלא שנשאר קצת אלומיניום מבעבע בקצוות, ואלומיניום ניתך ב660 צלזסיוס, אז עניין אותי עד כמה זה יכול לתפס ואם זה יכול להתיך גם מתכות אחרות, או מרצפות. תודה רבה.
    ובנוסף, ראיתי שיש סוג שנקרא "אבק שריפה גבישי" והוא מערב מים בתהליך ההכנה שלו ואמור להיות חזק יותר, הוא יכול לטפס ליותר מ1,400? כמו כן, הוא מסוכן יותר בכמויות קטנות? שוב תודה על התשובה.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שיטות הכנה

    שוב שלום לאנונימי

    אני לצערי לא בקיא מספיק כדי לענות בוודאות לגבי אבק שריפה גבישי. אני יודע שאכן יש המשתמשים במים בתהליך ההכנה. ההגיון מאחורי השימוש הוא שחנקת האשלגן נמסה במים וכך יכולה לחדור טוב יותר (כתמיסה) לתוך נקבוביות הפחם וליצור כך שטח מגע טוב יותר איתו, להאצת תהליך השריפה. סביר שתהליך שמתרחש מהר יותר, כלומר אותה כמות אנרגיה תשתחרר בפרק זמן קצר יותר - תוביל לטמפרטורות גבוהות יותר.

    בקשר לאלומיניום - כאמור הטמפרטורות בהחלט יכולות להתיך אותו, כמו שראית, אבל יכול להתרחש גם תהליך אחר של שריפת / חימצון האלומיניום (על ידי החמצן או על ידי חנקת האשלגן) שגם יובילו להתפוררותו.

    בברכה

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

  • אנונימי

    תודה רבה על התגובה המפורטת.

    תודה רבה על התגובה המפורטת. אני יכול איכשהו לצרף תמונה כדי שתוכל לבחון את זה בעין מקצועית קצת יותר משלי? אולי כתובת מייל כדי לשלוח את התמונה/סרטון של הבעירה?
    וחוץ מזה, כמה חום (טמפרטורה/מעלות) צריך כדי שאבק השריפה יבער מעצמו (אם אני אשאיר אותו בחוץ בצנצנת זכוכית/פלסטיק בשמש לייבוש, זה מסוכן? אני לא רוצה תאונות חלילה, בכל שאר התהליך אני נזהר מאוד.)
    בברכה, אנונימי.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מסוכן

    הכנת אבק שריפה הוא תהליך מסוכן, שאנחנו לא ממליצים ולא מעודדים לעשות בבית.

    טמפרטורת ההתלקחות העצמית שלו היא בין 200 ל 464 מעלות, 200 זאת לא טמפ' גבוהה כל כך (כל תנור בייתי מגיע אליה) - לא בטוח שהשמש יכולה, אבל לך תדע - האבקה שחורה וקולטת אור מצויין ולכן מתחממת בשמש. אם במקרה יהיה ניצוץ חשמלי (למשל מהתפרקות של חשמל סטטי) עלולה להתרחש התלקחות. העובדה היא גם ברחבי העולם היו הרבה תאונות במפעלים ליצור אבק שריפה / זיקוקי דינור.

    אתה יכול לשלוח למייל (avraham.saig@weizmann.ac.il), אבל לא בטוח שבמראה עיניים אפשר לדעת בלי בדיקה כימית של החומר, לא שזה כל כך משנה - כי שני התהליכים (התכה ושריפה של האלומיניום) יכולים להתרחש.

    בברכה

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

  • שי

    תשובה לשאלה

    משום שחנקן האשלגן פולטת חמצן בעת חימום אז התגובה תתרחש באופן אידאלי במקום סגור ומבודד. באוויר הפתוח, החמצן יכול להתפזר והתגובה תתרחש בקצב מואט מאשר זו הרוויה בחמצן.

  • איציק ריי

    אבק שריפה שחור

    תשובה לשאלה:
    נשרף מהר יותר במקום אטום. חמצן יש לו משלו ואילו באוויר הפתוח החום מתפזר החוצה והגזים מרחיקים את החלקיקים זה מזה מה שגורם לירידת טמפרטורה ולהאטת התהליך הכימי.

  • עדי

    איזון תגובה

    הי. נראה לי שחסרים לי 4 מימן ו7/8 גפרית.. לא?
    האם החמצן נפלט בתגובת ביניים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נספור ביחד :-)

    עדי - כל הכבוד על ניסיון האתגר,

    בוא נספור ביחד: אטומי מימן (H) - מצד שמאל של המשוואה יש 32 (16 מולקולות H2O) מצד ימין של המשוואה 12 מ 3CH4, ארבע מ 2H2S, שמונה מ 4H2 ושמונה מ CO3(NH4)2

      12+4+8+8=32

    פרפקט :-)

    את הגופרית אני משאיר לך לבדיקה נוספת... לגבי החמצן - כמו שכתבתי בכתבה ואמרתי בסרט, זה לא באמת תגובה בודדת שמתרחשת אלא אוסף גדול מאוד של תגובות שמתרחשות, עם המון תגובות ביניים (בהן גם יכול רגעית להיפלט חמצן) וגם המון תגובות ישירות בהן חנקת האשלגן יכולה לשמש כחומר מחמצן ללא פליטת חמצן גזי.

    בברכה

    ד"ר אבי סאייג

    מכון דוידסון לחינוך מדעי

    מכון ויצמן למדע

  • עדי

    איזון תגובה

    הי. תודה על התשובה המהירה!
    אכן פיספסתמ את המימן , אבל אני עדיין לא מוצאת את הגופרית...בטוח שלא אמור להיות שמינית גופרית s8?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נכון

    נכון! S8 בסוף, כמובן - אין אטום גופרית פנוי.