Kilka lat temu zmarła nasza sąsiadka i rodzina tejże położyła na klapie od kubła książki do nieboszczki niegdyś należące, a których postanowili się pozbyć. Jedna z nich od razu mnie zafascynowała, więc zabrałem ją do domu i zacząłem czytać. Była to praca autorstwa Pana Ignacego Eichstaedta "Księga pierwiastków" (wydanie z roku 1973) — tak wspaniała, że "pożerałem" ją wielokrotnie, gdyż rzeczy trudne i zawiłe opisuje niezmiernie przystępnym językiem i "konsumuje się" ją niczym najlepszą przygodową powieść. To z tego dzieła dowiedziałem się, że początkowo platyna była po prostu wyrzucana, ponieważ uważano ją za zanieczyszczenie, czyli produkt gorszy, bezwartościowy i niepożądany. Nauka dopiero z czasem przekonała się, że ten szlachetny metal daje się wytapiać i można z niego korzystać nie tylko w jubilerstwie czy implantologii, ale przede wszystkim w procesach chemicznych jako katalizator. Katalizator jest substancją, która towarzyszy przemianom molekularnym, wzmaga i przyspiesza oraz je umożliwia, ale nie bierze w nich bezpośredniego udziału jako rzeczywisty reagent, więc (przynajmniej teoretycznie) "nic a nic" się nie zużywa, ergo jej wcale nie ubywa i nie ulega związaniu czy zniszczeniu (choć zawsze może paść ofiarą tzw. "zatrucia", ale to już materiał na inną opowieść). Z "Księgi pierwiastków" dowiedziałem się, że Johann Wolfgang Döbereiner (1780—1849) uważany jest za wynalazcę zapalniczki platynowej, ponieważ zaobserwował, że przepuszczany przez platynową gąbkę lub czerń platynową wodór błyskawicznie zwiększa jej temperaturę, rozżarza ją i w końcu ulega samozapłonowi. Ot tak, po prostu "magicznie", bez iskry inicjującej czy płomienia dostarczonego choćby w postaci przytknięcia zapalonej słomki. Muszę przyznać, że ta właśnie część książki zafascynowała mnie najbardziej, bo opisała coś wręcz "czarodziejskiego". Zacząłem drążyć owo zagadnienie i szukać dalszych informacji na tenże temat. Poczułem się wielce połechtany faktem, że przyjaciel Döbereinera, największy poeta niemiecki Johann Wolfgang von Goethe (1749—1832), także popadł w zachwyt podobny do mojego, kiedy na własne oczy ujrzał to, do czego zdolna jest platyna. Goethe podarował Döbereinerowi sporej wielkości dom w Jenie, w którym urządzono imponujące jak na tamte czasy laboratorium chemiczne (solidnie wyposażone również dzięki finansowemu wsparciu poety). Döbereiner znalazł kolejnych inwestorów i uruchomił komercyjną produkcję bardzo sprytnie skonstruowanej i udoskonalonej przez siebie zapalniczki platynowej, którą kupowali ludzie głównie z wyższych warstw społecznych, ciesząc się, że nie muszą krzesać ognia np. przy pomocy hubki i krzesiwa. Zapalniczki Döbereinera były produkowane i sprzedawane w latach 1825—1880. Wyprodukowano ich łącznie kilkaset tysięcy sztuk. Po rozwinięciu się w Europie przemysłu "zapałczanego" nie były już potrzebne.
Zapalniczka Döbereinera to szczelny szklany słój o wysokości 15 ... 25 cm, z ebonitowym "dekielkiem", z którego wystaje zakrzywiona dysza z zaworem/kurkiem. Wewnątrz słoja znajduje się szklany kielich, przypominający trochę butelkę z obciętym dnem. Wewnątrz kielicha na sztywnym metalowym kwasoodpornym (ołowianym) pręciku znajduje się blok z czystego cynku. Odwrócony szklany kielich nie sięga do samego dna słoja, dzięki czemu zapalniczka działa w pełni automatycznie, co na ówczesne czasy było wielkim osiągnięciem inżynierskim. Główny i najbardziej "magiczny" element zapalniczki to metalowa obejma z umieszczoną w jej wnętrzu platynową gąbką.
Do słoja wlewamy rozcieńczony kwas siarkowy, przynajmniej do takiej wysokości, aby całość bloku cynkowego została we wspomnianym kwasie zanurzona oraz zamykamy zawór.
Roztwór kwasu siarkowego zaczyna reagować z cynkiem, co przejawia się dość gwałtownym "buzowaniem", czyli tworzeniem się bąbelków z wodorem. Wodór wypełnia szklany kielich, a że zaworek jest zamknięty, to gaz zbiera się w całej objętości kielicha wypychając stopniowo kwas z dolnej części tegoż kielicha, więc w pewnym momencie cynkowy blok zostanie całkowicie odsłonięty (= pozbawiony kwasu) i reakcja wytwarzania wodoru ustaje samoczynnie. Nie ma ryzyka nadmiernego zwiększenia się ciśnienia i rozerwania ścianek słoja, ponieważ wodór "kompresuje się" w kielichu tylko do pewnego stopnia, wypycha kwas i gwałtowny przebieg "bąbelkowania" ulega zatrzymaniu. Od tego momentu zapalniczka jest w pełni gotowa do wielokrotnego i długotrwałego użycia.
Powyższa grafika przedstawia zapalniczkę całkowicie napełnioną wodorem, w pełni gotową do eksploatacji.
Uruchomienie zapalniczki następuje po otwarciu kurka. Wodór wydostaje się na zewnątrz poprzez zagiętą rurkę/dyszę, dociera do platynowej gąbki, która natychmiast zaczyna się nagrzewać i rozżarzać, więc po krótkiej chwili następuje zapłon, słyszymy "lekki wybuch" (charakterystyczne akustyczne "puknięcie") oraz pojawia się niewielki i ledwo dostrzegalny płomyczek, więc możemy np. zapalić cygaro w salonie.
Zapalniczka Döbereinera to dawny solidny dość trwały i niezawodny "luksusowy" przyrząd do krzesania ognia. Były to urządzenia względnie bezpieczne i długowieczne, o ile eksploatowano je prawidłowo w pozycji pionowej oraz się nie stłukły. Użytkownicy musieli co jakiś czas uzupełnić lub wymienić wodny roztwór kwasu siarkowego, a po (niejednokrotnie) latach użytkowania również i "zeżarty" (= przereagowany) blok cynkowy. Opróżniony z wodoru kielich automatycznie wypełnia się "kolejnym" wodorem, więc uzyskujemy urządzenie działające i napełniające się samoczynnie i powtarzalnie do momentu, w którym definitywnie zabraknie reagentów (roztworu/"mocy" kwasu lub cynku). Platyna prawie nie ulega zużyciu i jest w pewnym sensie "wieczna". Po wieloletniej eksploatacji powierzchnia platyny ulega zanieczyszczeniu i należy ją zwilżyć kwasem azotowym oraz lekko wyżarzyć, aby uległa pełnemu oczyszczeniu i zregenerowaniu. Trwałość/skuteczność "zapłonowa" platynowej gąbki skraca się w otoczeniu, gdzie występują stale utrzymujące się stężenia par siarkowodoru lub amoniaku (czyli bardzo mocno "zakopcone" dymem tytoniowym pokoje się kłaniają), ale nawet tak zdegradowaną gąbkę można w pełni przywrócić do życia poprzez jej nieco dłuższe wyżarzenie. Płomień zapalniczki nie pojawia się "na zawsze", bo po pewnym czasie zapas wodoru w kielichu ulegnie wyczerpaniu i należy zamknąć kurek i odczekać do ponownego wygenerowania gazu i jego skompresowania się we wnętrzu zapalniczki.
Zachęcam do pogłębienia tematu (zapasowy mirror z filmikiem tutu).
Przy tworzeniu niniejszego blogowpisu skorzystałem z grafiki umieszczonej w dziele "Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften", tom 7, Stuttgart/Leipzig, 1904—1909, strony 149—150. Pobrałem ją, podreperowałem, po(d)kolorowałem, dorysowałem to i owo, a efekt jest taki jak powyżej.
Platynowa gąbka (zwana także platyną gąbczastą) to obecnie spory wydatek. W Niemczech 1 gram kosztuje około 200 euro. Istnieje jednakże tańsza alternatywa w postaci szklanej waty pokrytej cienką warstwą platyny. Taką watkę można nawet wyprodukować samodzielnie, o ile uda nam się zdobyć odrobinę heksachloroplatynianu disodu (zapasowy mirror). Platyna o zwiększonej powierzchni absorbcyjnej znajduje się również w katalizatorach instalowanych we współczesnych samochodach z silnikami benzynowymi.
Przypominam, że eksperymenty należy przeprowadzać z zachowaniem wszelkich możliwych środków ostrożności. Najlepszym rozwiązaniem jest zwrócenie się do nauczyciela chemii i przeprowadzenie eksperymentów w ramach zajęć szkolnych pod jego nadzorem. Kwas (nawet rozcieńczony) nadal jest żrący, a wodór w połączeniu z tlenem atmosferycznym wybucha w momencie pojawienia się nawet najmniejszej iskierki!!!
Nie udało mi się znaleźć w pełni jednoznacznej informacji dotyczącej stężenia roztworu kwasu siarkowego, jakim należy napełniać zapalniczkę. Jedyną pochodną wskazówką, do jakiej udało mi się dotrzeć, jest fakt, że w trakcie wykonywania szkolnych/uniwersyteckich eksperymentów z kwasem solnym oraz magnezem (w ramach wytwarzania wodoru) korzysta się z roztworów 10% i być może będzie to jakaś wstępna wskazówka ułatwiająca poruszanie się w tejże materii. Jedno ze źródeł historycznych wspomina jednakże, że słój należało do połowy napełnić wodą i dodać do niej od 4 do 5 łutów "angielskiego kwasu siarkowego" (łącznie około 70 ... 80 gramów tegoż kwasu). Wspomnianego "angielskiego kwasu siarkowego" już dawno się nie produkuje, bo H2SO4 wytwarza się współczesną metodą kontaktową. Pozostaje więc dla mnie zagadką, jakie miał faktyczne oryginalne stężenie i należałoby to jeszcze objąć "riserczem" i ustalić. Moje wstępne domorosło-amatorskie przypuszczenia oscylują w okolicach stężeń na poziomie 80% (dla pradawnego oryginalnego "angielskiego kwasu siarkowego" sprzedawanego w połowie XIX wieku). Łatwo i super tanio dostępny współczesny elektrolit do samochodowych ołowiowych akumulatorów rozruchowych ma stężenie 38% (1.28 g/cm³). O matematyce towarzyszącej przeliczaniu stężeń była już mowa tutu. Gdybym więc osobiście próbował cokolwiek samodzielnie kombinować w laboratorium, to na początek i na próbę "upichciłbym" roztwór 15 ... 20% H2SO4. Roztwory najlepiej sporządzać przy pomocy wody destylowanej, zastępowanej obecnie wodą demineralizowaną.
Niech pamięta chemik młody, że się wlewa kwas do wody!!!
(Marcin Perliński)
.png){kind=small}
