כמה קל להדליק גפרור, כמה קשה היה להמציא אותו ואיך בכלל הוא עובד?

צפו בסרטון האנימציה שהכנו במיוחד לקראת ל'ג בעומר – חג המדורות והאש:

גפרור חומצה

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.

במשך אלפי שנים חיפשו אנשים דרכים קלות ומהירות יותר להבעיר אש. פה ושם הושגו הצלחות, אך הדרך לא באמת הייתה קלה. פריצות דרך של ממש הגיעו רק עם התבססותה של הכימיה המודרנית, בתחילת המאה ה-19 באירופה, שם הומצאו הגפרורים.

את הגפרור הראשון הניצת מעצמו המציא ז'אן שאנסל (Chancel) הצרפתי בשנת 1805. הגפרור היה מורכב מקיסם עץ שעל ראשו חומר בשם כלורט האשלגן (KClO3), שידוע גם בכינויו מלח ברתולטי (Berthollet's Salt), מעורבב עם סוכר, גופרית וגומי. הוא התלקח כאשר ראש הגפרור נטבל בתוך בקבוקון קטן של חומצה גופרתית מרוכזת. אפשר לראות את תגובת ההתלקחות המרהיבה בסרטון הזה:

 

בגפרור הראשוני הזה, האש נוצרה בגלל תגובה כימית בין חומצה גופרתית מרוכזת (H2SO4) לכלורט האשלגן, היוצרת חומצה כלורית (HClO3), לפי התגובה הכימית הבאה:

2KClO3 + H2SO4 → 2HClO3 + K2SO4

החומצה הכלורית היא מחמצן חזק מאוד, פעיל מאוד ולא יציב. כל מגע שלה עם חומר אורגני דליק, למשל סוכר או גומי, גורם לתגובה כימית נמרצת מאוד שפולטת חום רב ויוצרת להבה.

ה'גפרור' הזה נמכר ברחבי אירופה בהצלחה במשך עשרות שנים. הבריטי סמואל ג'ונס (Jones) שכלל את ההמצאה כך שהגפרור כלל מעין בועת זכוכית קטנה מלאה בחומצה גופרתית ועטופה בכלורט האשלגן ונייר. כדי להצית את הגפרור של ג'ונס היה צריך לנפץ את בועת הזכוכית עם החומצה.

על אף השכלולים הללו, הגפרורים הללו היו בעיתיים: חומצה גופרתית מרוכזת היא חומר מאוד לא סימפטי, הגורם לכוויות כימיות קשות במגע עם העור. ולכן מדענים וממציאים המשיכו לחפש תחליפים בטוחים יותר.

גפרורי החיכוך

הכימאי והרוקח האנגלי ג'ון ווקר (Walker) נחשב למי שהמציא את "גפרורי החיכוך" – שאופן פעולתם מאוד דומה לגפרורים של ימינו – הם נדלקו על ידי חיכוך הגפרור במשטח מחוספס. במשך מספר שנים חיפש ווקר דרך פשוטה להדלקת אש. בזמנו היו ידועות כבר תערובות חומרים שמתפוצצות כאשר מכים בהם בחוזקה. הוא מצא במקרים רבים פיצוץ הוא מהיר מדי, ולא מצליח להדליק מקלון. אחרי ניסיונות רבים הוא הצליח להאט מעט את התגובה הכימית וליצור את גפרור החיכוך הראשון בתחילת המאה ה-19. הגפרורים שלו היו קיסם עץ המצופה בתערובת של כלורט האשלגן (שהיה קיים גם בגפרור הראשון של שאנסל(, אנטימון גופרתי, חומר דליק שהגיב עם כלורט האשלגן בפיצוץ, וגופרית שמיתנה את התגובה. התערובת התלקחה באיטיות ואיפשרה לקיסם העץ להתלקח. הצתת הגפרור בוצעה על ידי חיכוך הראש שלו בפיסה של נייר זכוכית. אבל הגפרורים שלא לא היו כל כך מוצלחים. ולפי רשימותיו שלו הוא מכר רק 168 קופסאות במשך שלוש שנים...

אייזק הולדן (Holden) הבריטי שכלל את המצאתו של ג'ונס בשנת 1829, והגפרורים שהוא פיתח החלו להימכר תחת המותג 'לוציפר' ברחבי אירופה. גם לגפרורים אלה היו בעיות: מצד אחד הם לא נדלקו בקלות, מצד שני – כאשר הם נדלקו זה היה בתגובה אלימה שנטתה להעיף גיצים וכדורי אש לכל עבר. גם הריח שלהם לא היה נעים.

הכנסת הזרחן לגפרורים

גפרורי הלוציפר יצאו משימוש כמעט באותה מהירות שבה נכנסו לשוק, עם הכנסת הזרחן לגפרורים בשנת 1830 על ידי הצרפתי שארל סוריה (Sauria) – פעולה שהייתה פריצת הדרך האמיתית בהמצאת הגפרור. הזרחן הוא יסוד כימי עם תכונות מיוחדות: הוא מגיב עם החמצן שבאוויר ומתלקח מעצמו די בקלות – בלי שמישהו הצית אותו. בטמפרטורת החדר הוא מגיב במתינות באופן שגורם לו לזהור / לזרוח ומכאן שמו (גם בעברית וגם בלועזית). כאשר הטמפרטורה עולה ל-34 מעלות בלבד הזרחן מתלקח. טמפרטורה זאת נקראת נקודת ההתלקחות או נקודת ההצתה העצמית של הזרחן. זאת הטמפרטורה הנמוכה ביותר שבה מתלקח החומר מעצמו בסביבה אטמוספרית רגילה, זאת אומרת בתנאי המחיה הרגילים שלנו.

בגלל נקודת ההתלקחות הנמוכה של הזרחן הוא משמש חומר מעולה להצתת אש בקלות.
סוריה פשוט החליף בזרחן את האנטימון הגופרתי שהיה בגפרורי החיכוך של ווקר. הגפרורים הללו מוצלחים מאוד מבחינת קלות ההצתה. אבל גם להם היו חסרונות רציניים: הם נדלקו בקלות אפילו מחיכוך קל, למשל ניעור חזק מדי של הקופסה. הם גם התלקחו מעצמם כאשר הטמפרטורה עלתה על 34 מעלות – זה נדיר יחסית באירופה, אך לא שימושי בארצות חמות. הכי גרוע – הזרחן שהשתמשו בו הוא חומר רעיל ביותר. עשירית הגרם ממנו יכולה לגרום למותו של אדם ובליעה של ראשי גפרורים הפכה לשיטת התאבדות נפוצה באירופה. מי שנפגע באופן החמור ביותר היו פועלי הייצור של הגפרורים, שהחלו לסבול ממחלות קשות עקב חשיפה כרונית לזרחן.

מלבן לאדום

גם כאן המחקר המדעי נרתם לפתרון הבעיה. בשנת 1850 גילה הכימאי האוסטרי אנטון פון-קריסטלי (von Kristelli) כי כאשר חושפים זרחן רגיל לאור השמש או מחממים אותו בהדרגה ל-250 מעלות בסביבה נטולת חמצן, מתרחש בו שינוי כימי ניכר: הוא הופך לצורה אחרת של זרחן הנקראת זרחן אדום. הזרחן האדום יציב הרבה יותר: הוא מתלקח מעצמו רק בטמפרטורה של 240 מעלות במקום 30, והוא גם לא רעיל כמו הזרחן הלבן.

מהבחינה הכימית, בזרחן הלבן – אטומי הזרחן מחוברים יחד ליצירת מולקולות קטנות ופעילות של ארבע אטומים הקשורים יחד (P4), בזרחן אדום האטומים קשורים יחד ליצירת שרשרת ארוכה יציבה (פולימר של זרחן) כפי שרואים בסרטון 2:19 דקות מתחילתו. צורות ההופעה השונות של היסוד זרחן, דומות קצת לתופעה המתרחשת ביסוד פחמן - שגם הוא יכול להופיע בטבע בצורות שונות: יהלום, גרפיט, פולרנים ועוד.

בסוף המאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20 החלו להעביר במדינות רבות בעולם חוקים. שאסרו את השימוש בזרחן לבן בגפרורים. בשנת 1910 השימוש בהם כבר היה אסור ברוב מדינות העולם.

שביתת פועלות במפעלי הגפרורים בבריטניה ב-1888, בדרישה להפסיק את השימוש בזרחן לבן | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל
שביתת פועלות במפעלי הגפרורים בבריטניה ב-1888, בדרישה להפסיק את השימוש בזרחן לבן | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

גפרורי הבטיחות

הפיתוח החשוב האחרון התרחש בשנת 1855 אז הציגו האחים השוודים לונדסטרום (Lundström) בתערוכה עולמית בפריז גפרורים בייצור תעשייתי מהסוג שבו אנחנו משתמשים עד היום. הם שכללו פטנט משנת 1844 של שוודי אחר, גוסטף פש (Pasch), 50 שנה אחרי המצאת הגפרור הראשון!

הגפרורים הללו נקראים גפרורי בטיחות. לא רק שהם השתמשו בזרחן אדום יציב, הם גם העבירו אותו מראש הגפרור אל משטח החיכוך שעל הקופסה. הפרדת החומר הדליק העיקרי משאר רכיבי הגפרור היה מה שיצרו את הבטיחות הרבה של גפרורים אלו, שנדלקים באיחוד של הגפרור עם משטח החיכוך ולא בחיכוך אלו עם אלו. אלו הגפרורים בהם אנו משתמשים היום.

ברשימה למטה אפשר לראות את ההרכב של גפרורי הבטיחות (יש נוסחאות קצת שונות ליצרנים שונים) במעבר על רשימת הרכיבים אפשר לראות שרידים 'אבולוציוניים' של כל הגפרורים שקדמו להם:

יצרני גפרורים שונים עשויים להשתמש בהרכבים מעט שונים של חומרים, אולם כל גפרור חייב להכיל מלח ברתולטי (כלורט האשלגן), גופרית וזרחן.

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 (O2)  מהחומרים המחמצנים המכסים את ראש הגפרור, בעיקר מכלורט האשלגן. התהליך פועל לפי התגובה:

2KClO3(s) → 3O2(g) + 2KCl(s)

החמצן הזה מדליק חלקית גם את הזרחן האדום שבמשטח החיכוך, ובעיקר האנטימון הגופריתי. הם בתורם מציתים את הגופרית שבראש הגפרור, שבוערת ביתר שאת עקב המשך שחרור החמצן מהמחמצנים. לבסוף נדלק גם הקיסם עצמו, ובעירתו מואצת בזכות שחרור החמצן מהמחמצנים.

קיסם העץ של הגפרור מצופה בסוג של שעווה כדי להבטיח שהלהבה תתקדם מראש הגפרור אל העץ. מקלון העץ טבול באמון זרחתי (NH4)3PO4, חומר מעכב בעירה הגורם לעץ לכבות מהר בלי להשאיר גחלת.

גפרורי 'הדלק בכל מקום'

בשנת 1899 המציאה חברה בריטית גפרורים המכונים strike-anywhere – שנדלקים בחיכוך עם כל  משטח, כמו גפרורי הזרחן הלבן המקוריים. גפרורים אלו נפוצים מאוד בארצות הברית, במדינות עולם שלישי וכן כציוד למחנאות. במקום הזרחן הלבן הרעיל, נעשה בהם שימוש בתרכובת של זרחן וגופרית (P4S3) שמתלקחת בקלות בחיכוך עם כל משטח שהוא, וגם היא, כמו הזרחן האדום, אינה רעילה.

5 תגובות

  • פינחס

    היי ד"ר אבי! תודה על הכתבה

    היי ד"ר אבי! תודה על הכתבה המעניינת.
    רציתי לשאול מדוע כשמכניסים גפרור לתוך להבה של נר לוקח לו קצת זמן להידלק והוא לא נדלק מיד כמו כשמשפשפים אותו על הקופסה?
    תודה רבה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נקודת התלקחות

    היי פנחס
    גם אני שמתי לב לתופעה, אבל לא ידוע לי אם מישהו חקר אותה. אז אני יכול רק לשער את התשובה:
    לכל חומר דליק ישנה טמפרטורה מסויימת, הנקראת 'נקודת התלקחות' שבה הוא מתחיל להתלקח. כל עוד לא הגעת לנקודת ההתלקחות – החומר לא מתלקח. העובדה שהגפרור נדלק יותר לאט בתוך הלהבה של הנר מעידה כי להבת הנר מחממת אותו פחות משפשוף בקופסת הגפרורים.
    ואיך זה יתכן ששפשוף בקופסא מחמם הגפרור יותר מלהבה עצמה? – שוב צריך להיזכר במנגנון הפעולה של הגפרור המודרני: על משטח השפשוף ישנו זרחן אדום, השפשוף גורם לו להפוך ללבן – והזרחן הלבן ניצת בקלות: נקודת ההתלקחות של זרחן לבן היא 34 מעלות בלבד, כלומר לא צריך להגיע באמת לטמפרטורות גבוהות בשיפשוף כדי להתחיל אש. ברגע שהזרחן ניצת באש, הלהבה שלו כבר מגיעה לטמפרטורות גבוהות מאוד (הרבה יותר מנר) שמרוכזות לנקודה קטנה (נקודת המגע בין הגפרור לקופסא) – בניגוד ללהבה של נר שמתחלקת על כל המסה של ראש הגפרור – כך שהאש ממשיכה אל ראש הגפרור מנקודה מרוכזת חמה. בראש הגפרור עצמו אין זרחן, אז אין את החומר שמתחיל בעירה בקלות כשרק הוא מוכנס לאש.
    אגב, הטמפרטורה של להבת הנר שונה בכל מקום לאורך הלהבה. קרוב לפתיל היא נמוכה יחסית ובאיזורים הגבוהים המרוחקים היא דווקא הכי גבוהה. שווה לנסות ולראות שהכנסה של גפרור למקומות שונים בלהבה גורמת לו להתלקח במהירות שונה.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • פינחס

    היי אבי! תודה על התשובה!

    היי אבי! תודה על התשובה!
    גם מאוד מעניין אותי להבין משהו לגבי האש:
    כפי מה שלימדו אותי, כל פעולה כימית או שהיא צריכה השקעה של אנרגיה בשביל לקרות, או שהיא מפיקה אנרגיה.
    אבל האש זה פעולה כימית קצת מוזרה, כי מצד אחד צריך להשקיע בה חום בשביל שהיא תתחיל לקרות, אבל מצד שני כשהיא מתחילה אז היא מפיקה חום בטמפרטורה הרבה יותר גבוהה ממה שהשקיעו בה!
    גם מה קורה כשאנו מדליקים נר מנר אחר שכבר דלוק, הרי כפי הנראה בעין זה לא החום שגורם לנר הבא להידלק אלא כאילו האש עוברת! אם נניח נשים חוצץ מתכת בין שני הנרות ובכך נעביר את החום מנר דולק לנר כבוי - אני לא חושב שהנר ידלק...
    קח לדוגמה את תהליך הפקת הזרחן האדום, שלפי מה שהבנתי מתבצע ע"י חימום זרחן לבן בטמפרטורה גבוהה - אז הזרחן הרי לא נדלק אלא פשוט מותך!
    דרך אגב, גם מעניין למה הטמפרטורה במרכז הלהבה יותר נמוכה? הרי שם הוא המוקד של הפעולה הכימית!
    עוד דבר שרציתי לשאול, אני לא יודע אם הוא כ"כ קשור לפה, אבל לימדו אותי בבית ספר שיש הבדל בין חום לבין טמפרטורה, ודוגמה לכך היא שאם ניקח מים ואדי מים ששניהם באותה טמפרטורה (100 מעלות) אז כויה מאדים תהיה יותר חמורה בגלל שהחום שלהם יותר גבוה (ככה הסבירו לנו בבית ספר). אבל לא מצאתי בויקיפדיה ובשום מקום מידע כתוב על זה. האם זה נכון? ואיך אפשר למדוד חום ולא טמפרטורה?
    תודה רבה!

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    היי פנחס, שאלת מלא שאלות – וניכר שאתה סקרן.
    יש תשובות לכל השאלות ששאלת – אבל אולי כדאי לך פשוט להתעמק בלימודי כימיה כדי לקבל תמונה מלאה של ידע ולא נקודות פה ושם עם הרבה 'חורים שחורים' באמצע?. גם הטוקבקים במאמרים זה לא בדיוק מקום להרחבה, אז אני אענה בקיצור:
    אכן – תגובות כימיות מתחלקות לשתיים: כאלו שהן "אקסותרמיות" כלומר פולטות חום לסביבה, וכאלו שהן "אנדותרמיות" – קולטות חום מהסביבה (ולכן מקררות אותה), אבל – בשביל שתגובה כימית תתחיל להתרחש תמיד צריך להשקיע אנרגיה ראשונית שנקראת "אנרגיית שפעול" (שבכלל לא קשורה אם בסוף תיפלט או תיקלט אנרגיה בסך הכל, תמיד צריך להשקיע אותה בהתחלה). וכך גם באש – צריך מקור חום כמו אש קטנה ראשונית בשביל אנרגיית השיפעול להתחיל את האש החדשה, אבל משם והלאה כבר פליטת האנרגיה של האש החדשה עצמה מספקת לעצמה אנרגיית שפעול.
    הרחבה על אנרגיית שפעול:
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/chemistry/%D7%90%D7%A0...
    לגבי הדלקת אש בחום בלבד – כאן האינטואיציה שלך מטעה אותה. זה ניסוי פשוט שאפשר לערוך, ניתן גם ניתן להדליק נר באמצאות ברזל מלובן, הוא פשוט צריך באמת להיות חם כמו אש – מלובן, מאות מעלות – וזה עובד יופי.
    הלהבה במרכז בלי גישה להרבה חמצן – שמגיע מהאוויר החיצוני, ולכן זה לא מרכז התגובה הכימית ולכן זה לא הכי חם.
    הרחבה קורס המדע של האש – חינם – רק צריך להירשם. מדבר על כל הדברים הנ"ל:
    https://davidson.weizmann.ac.il/programs/barbecue

    ולגבי חום וטמפרטורה: אכן דברים שונים, חום (בהגדרה לא 100% מדוייקת) זה האנרגייה הכוללת, טמפרטורה – הממוצעת. ולכן יכול לפגוע בך ניצוץ מזיקוק יום הולדת (שהטמפרטורה שלו 800 מעלות) ולא תהייה לך שום כוויה, כי המסה שלו פחות מאלפית הגרם ולכן אין לו אנרגיה כוללת. אבל כוס מים ב-55 מעלות יגרמו לך כוויה...
    הרחבה חום וטמפרטורה: https://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/physics/%D7%9E%D7%94-%D...
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • פינחס

    תודה!