Aluminotermia
Słowem wstępu:
Aluminotermia to proces metalurgiczny otrzymywania metali poprzez redukcję ich tlenków sproszkowanym lub zgranulowanym glinem. Substraty tworzą mieszankę termitową, która reaguje z wydzieleniem dużych ilości ciepła, na skutek czego jej temperatura dochodzi do 3000 K. Jest to jedna z najwyższych temperatur możliwych do uzyskania w reakcji chemicznej.
Reakcje aluminotermiczne wykorzystuje się w hutnictwie do otrzymywania wielu metali, w tym chromu, wanadu, manganu, a także niektórych żelazostopów.
Mieszanka używana w aluminotermii to termit.
Termit jest mieszaniną złożoną z glinu oraz tlenku żelaza w proporcjach zapewniających redukcję żelaza przez glin. Najczęściej termit jest sproszkowana tak, aby drobiny były jak najmniejsze. W niektórych odmianach termitu zamiast tlenków żelaza stosowane są też tlenki innych metali.
Termity są stosowane między innymi jako środki spawalnicze do spawania rur i szyn kolejowych. Dzięki temu, że spawanie z użyciem termitu wypełnia metalem wewnętrzne powierzchnie styku, jest on bardzo wytrzymały, odporny na korozję i przewodzi dobrze prąd elektryczny. Może być także wykorzystywany do przecinania lub spawania stali, np. szyn kolejowych bez potrzeby użycia ciężkiego sprzętu.
Innym częstym obszarem zastosowań jest hutnictwo, gdzie używa się go w tzw. procesie termitowym prowadzącym do uzyskiwania czystych metali z ich rud. Przykładem takiego procesu była opracowana na potrzeby projektu Manhattan metoda uzyskiwania znacznych ilości czystego uranu.
Możemy ostrożnie przygotować niewielką ilość termitu.
Opisywane tutaj reakcje są bardzo niebezpieczne! W czasie spalania termitu powstaje bardzo wysoka temperatura, mogą też być wyrzucane krople wrzącego żelaza. Należy zachować dużą odległość od ludzi i zwierząt. W pobliżu zachodzącej reakcji nie mogą znajdować się żadne łatwopalne substancje, a także substancje o temperaturze wrzenia niższej niż temperatura zapalonego termitu ponieważ może to doprowadzić do bardzo groźnego wybuchu. Należy stosować odzież ochronną. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Materiały
By uzyskać termit potrzebujemy jedynie dwóch składników:
Sproszkowany glin
Sproszkowany tlenek żelaza(III)
Oba składniki powinny być możliwie jak najbardziej rozdrobnione. Oba można nabyć w sklepach chemicznych, ale są też inne możliwości. Tlenek żelaza(III) jako tak zwaną czerwień żelazową można czasem kupić w sklepach z materiałami budowlanymi. Jeszcze prościej jest go uzyskać zdrapując suchą rdzę ze stalowych elementów. Należy ją potem sproszkować jak najdokładniej.
tlenek żelaza(III)
sproszkowany glin
Obie substancje mieszamy ze sobą w stosunku objętościowym 1:1
Termit w przeciwieństwie do wielu mieszanin pirotechnicznych nie jest łatwopalny. Do inicjacji jego zapłonu potrzeba temperatury przynajmniej 600 stopni Celsjusza. Zapałką ani zapalniczką nie damy rady go zapalić, ponieważ ich płomienie mają temperaturę najwyżej 450 stopni. By zainicjować reakcję zastosujemy drugą mieszaninę piroteczniczną, której zadaniem będzie wytworzenie temperatury potrzebnej do zapłonu termitu oraz jego opóźnienie. Da nam to możliwość oddalenia się na bezpieczną odległość.
By wyprodukować mieszaninę inicjującą potrzebujemy także jedynie dwóch substancji:
Sacharoza - cukier "puder"
Azotan(V) potasu
Oba składniki możemy nabyć w sklepie spożywczym. Mieszamy je w stosunku objętościowym 4 częsci azotanu(V) potasu na 3 częsci sacharozy.
Wykonanie
Mając przygotowane obie mieszaniny możemy przystąpić do wykonania doświadczenia.
Na niepalną i odporną na wysoką temperaturę powierzchnię (najlepiej używać płyt azbestowych lub ceramicznych) sypiemy w formie ścieżki mieszaninę inicjującą usypując na jej końcu mały wzgórek. Na ten wzgórek z kolei sypiemy nasz termit. Powinno to wyglądać mniej więcej tak:
Zapalanie termitu można wykonywać jedynie na zewnątrz! Po zapaleniu ścieżki należy jak najszybciej oddalić się ponieważ roztopione żelazo może pryskać na nawet dosyć spore odległości. Należy zachować bezwzględną ostrożność!
Iskry są rozgrzanymi do białości kroplami płynnego żelaza.
Mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji termitowej w rzeczywistości jest bardzo prosty. Dochodzi tutaj do reakcji typu redox pomiędzy glinem, a tlenkiem żelaza(III)
Podczas reakcji dochodzi do uwolnienia dużej ilości energii, co jest powodem gwałtownego wzrostu temperatury.
Jednym z produktów jest żelazo. W tak wysokiej temperaturze ulega ono stopieniu. Po reakcji możemy odnaleść drobiny wytopionego żelaza:
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)