Термитна реакција

Во 1895 година, Ханс Голдшмит го патентирал термитниот процес, обезбедувајќи основа за сигурна, удобна и ефикасна мобилност на железницата, која продолжува да го дефинира меѓународниот стандард за заварување на шини.

Реакцијата  била откриена во 1893 година и патентирана во 1895 година од германскиот хемичар Ханс Голдшмит. Затоа, реакцијата понекогаш се нарекува „реакција на Голдшмит“ или „Голдшмитов процес“. Голдшмит првично бил заинтересиран за производство на многу чисти метали со избегнување на употребата на јаглерод во топењето, но набрзо ја открил вредноста на термитот при заварувањето.Првата комерцијална примена на термитот била заварувањето на трамвајските шини во Есен во 1899 година.

Што е термитна смеса?

Термитот е пиротехничка смеса од метален прав и метален оксид. Кога ќе се запали со топлина или хемиска реакција, термитот се подложува на реакција на егзотермна редукција-оксидација (редокс реакција). Повеќето видови термитни реакции не се експлозивни, но можат да создадат кратки изливи на топлина и висока температура на мала област.

Термитите имаат разновидни состави. Горивата вклучуваат алуминиум, магнезиум, титаниум, цинк, силициум и бор. Алуминиумот е вообичаен поради неговата висока температура на вриење и ниската цена. Оксиденсите вклучуваат бизмут(III) оксид, бор(III) оксид, силициум(IV) оксид, хром(III) оксид, манган(IV) оксид, железо(III) оксид, железо(II, III) оксид, бакар(II) оксид и олово(II,IV) оксид.

Хемиски аспект на Голдшмитовиот процес

 (Термитна реакција  со употреба на железо(III) оксид)

Елементарниот алуминиум го редуцира оксидот на другиот метал, во овој случај железниот оксид, бидејќи алуминиумот формира посилни и постабилни врски со кислородот од железото:

Fe₂O₃(s) + 2Al(s) → 2Fe(l) + Al₂O₃(l)Δ_rH =-760 kJ/mol (2960 °C)

Продуктите се алуминиум оксид, елементарно железо  и голема количина на топлина. Реактантите најчесто се прашкасти и се мешаат со врзивно средство за да се одржи материјалот цврст и да се спречи одвојувањето.

Може да се користат и други метални оксиди, како што е хром(III) оксидот, за да се создаде дадениот метал во неговата елементарна форма(хромирање). На пример, реакција на бакарен термит со употреба на бакар(II) оксид и елементарен алуминиум може да се користи за создавање електрични споеви во процес наречен кад-заварување, кој произведува елементарен бакар :

3CuO + 2Al → 3Cu + Al₂O₃

Црвениот железен оксид (Fe₂O₃, попознат како 'рѓа) е најчестиот железен оксид што се користи во термитот. Повремено се користат и други оксиди, како што се MnO₂ во манганов термит, Cr₂O₃ во хромен термит, кварц во силициумов термит или бакар(II) оксид во бакарен термит, но само за специјализирани цели.Сите овие примери користат алуминиум како реактивен метал.

Во принцип, наместо алуминиум може да се користи кој било реактивен метал. Ова ретко се прави, бидејќи својствата на алуминиумот се речиси идеални за оваа реакција:

Тој е убедливо најевтиниот од високореактивните метали.

Алуминиумот формира слој за пасивација што го прави побезбеден за ракување од многу други реактивни метали.

Неговата релативно ниска температура на топење (660 °C) значи дека лесно се топи, така што реакцијата може да се случи главно во течна фаза, со што се одвива прилично брзо.

Неговата висока температура на вриење (2519 °C) овозможува реакцијата да достигне многу високи температури, бидејќи неколку процеси имаат тенденција да ја ограничат максималната температура веднаш под температура на вриење. Таквата висока температура на вриење е вообичаена кај преодните метали (на пр., железото и бакарот вријат на 2887 и 2582 °C, соодветно), но е особено невообичаено кај високо реактивните метали (пр. магнезиум и натриум, кој врие на 1090 и 883 ° С, соодветно).

Понатаму, малата густина на алуминиум оксидот формиран како резултат на реакцијата има тенденција да го остави да лебди на добиениот чист метал. Ова е особено важно за намалување на контаминацијата во заварот.

Иако реактантите се стабилни на собна температура, тие горат со исклучително интензивна егзотермна реакција кога се загреваат до температура на палење. Продуктите се појавуваат како течности поради достигнатите високи температури (до 2500 °C  со железо(III) оксид)—иако вистинската постигната температура зависи од тоа колку брзо топлината може да избега во околината. Термитот содржи сопствено снабдување со кислород и не бара никаков надворешен извор на воздух. Следствено, не може да се задуши и може да се запали во која било средина со доволна почетна топлина. Добро гори додека е влажен и не може лесно да се изгасне со вода - иако доволно вода за да се отстрани доволно топлина може да ја запре реакцијата. И покрај тоа, термитот може се користи за заварување под вода.

Термитните смеси се карактеризираат со речиси целосно отсуство на производство на гас при горење, висока температура на реакција и производство на стопена згура. Горивото треба да има висока топлина на согорување и да произведува оксиди со ниска температура на топење и висока температура на вриење. Оксиденсот  треба да содржи најмалку 25% кислород, да има висока густина, мала топлина на формирање и да произведува метал со ниски температури на топење и високи температури на вриење (така што ослободената енергија не се троши при испарување на реакционите производи). Во составот може да се додадат органски врзива за да се подобрат неговите механички својства, но тие имаат тенденција да произведуваат производи на ендотермно распаѓање, предизвикувајќи извесна загуба на реакционата топлина и производство на гасови.

Температурата постигната за време на реакцијата го одредува исходот. Во идеален случај, реакцијата произведува добро одвоено топење на метал и згура. За ова, температурата мора да биде доволно висока за да се стопат двата продукти од реакцијата, добиениот метал и оксидот на горивото. Премногу ниска температура произведува мешавина од синтеруван метал и згура; превисоката температура (над точката на вриење на кој било реактант или продукт) доведува до брзо производство на гас, дисперзија на запалената реакциона смеса, понекогаш со ефекти слични на експлозија со низок принос. Во композициите наменети за производство на метал со алуминиотермичка реакција, овие ефекти може да се неутрализираат. Премногу ниската температура на реакцијата (на пр., кога се произведува силициум од песок) може да се засили со додавање на соодветен оксиденс (на пр. сулфур во составите алуминиум-сулфур-песок); превисоката температура може да се намали со употреба на соодветна течност за ладење и/или флукс на згура. Флуксот кој често се користи во аматерски композиции е калциум флуорид, бидејќи реагира само минимално, има релативно ниска точка на топење, низок вискозитет на топење на висока температура.

Палење

Запалувањето на термитната смесавообичаено  бара високи температури.Овие температури не можат да се постигнат со конвенционални иницијатори(запалки) од црн барут, нитроцелулозни шипки, детонатори, пиротехнички иницијатори или други вообичаени запаливи материи.

Најчестосе користат ленти од магнезиум. Реактивните метали како што е магнезиумот лесно можат да достигнат температури доволно високи за палење на термит.

Реакцијата помеѓу калиум перманганат и глицерол или етилен гликол се користи како алтернатива на методот на магнезиум. Кога овие две супстанции ќе се измешаат, започнува спонтана реакција, полека зголемувајќи ја температурата на смесата додека не произведе пламен. Топлината ослободена од оксидацијата на глицеролот е доволна за да започне реакција на термитот.

14KMnO₄(s) + 4C₃H₅(OH)₃(l) → 7K₂CO₃(s) + 7Mn₂O₃(s) + 5CO₂(g) + 16H₂O(g)   a        Δ_rH= −1654.3 kJ mol⁻¹

Алуминотермитна реакција користи алуминиум како редукционо средство, а многу метални оксиди може да се користат како оксидирачки агенс:

Да ги видиме термохемиските реакции:

3FeO + 2Al → 3Fe + Al₂O₃   Δ_rH  =-783 kJ/mol (2500 °C)

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃  Δ_rH=- 760 kJ/mol (2960 °C)

3CuO + 2Al → 3Cu + Al₂O₃  Δ_rH=-1153 kJ/mol (4865 °C)

3Cu₂O + 2Al → 6Cu + Al₂O₃Δ_rH= -1090 kJ/mol (3183 °C)

3NiO + 2Al → 3Ni + Al₂O₃ Δ_rH=-865 kJ/mol (3171 °C)

Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃ Δ_rH=-2288 kJ/mol (2977 °C)

3MnO + 2Al → 3Mn + Al₂O₃ Δ_rH=-1687 kJ/mol (2427 °C)

3MnO₂ + 4Al → 3MnO + 2Al₂O₃        Δ_rH=- 4358 kJ/mol (2771 °C)

Употреба на процесот

Реакциите ослободуваат доволно топлина за да се добие редуцираниот метал во форма на стопен метал!!!

Затоа, термитните реакции и смеси имаат многу намени. Тие не сметаат за експлозив; наместо тоа, функционираат така што изложуваат многу мала област на екстремно високи температури. Интензивната топлина фокусирана на мало место може да се користи за сечење на метал или заварување на метални компоненти заедно и со топење на метал од компонентите и со инјектирање стопен метал од самата реакција на термит.

Термитот може да се користи за поправка со заварување на местото на дебели челични делови, како што се оските на локомотивите или мостови и конструкции на недостапни места, каде што поправката може да се изврши без да се отстрани делот од неговата поставена локација.Термитот може да се користи за брзо сечење или заварување на челик како што се шините, без да се бара сложена или тешка опрема. Меѓутоа, дефекти како што се инклузии на згура и празнини (дупки) често се присутни во таквите заварени спојки, па затоа е потребно големо внимание за успешно функционирање на процесот.

Термитите се користaт и за рафинирање на метали, онеспособување на муниција и како запаливо оружје. Некои смеси слични на термит се користат како пиротехнички иницијатори во огнометите.

Подводно заварување со термитна смеса