Termiitti – sytytysseos, reaktio ja yleisimmät koostumukset

Termiitti on sytytysseos. Se ei ole räjähtävää ainetta, mutta se voi palaa hyvin nopeasti ja hyvin kuumana.

Se on valmistettu vähemmän reaktiivisen metallin oksidista, joka on sekoitettu reaktiivisempaan metalliin. Yksi yleisimmistä seoksista on rauta(III)-oksidi-alumiini. Rauta(III)-oksidi hapettaa alumiinin ja pelkistyy samalla raudaksi. Alumiini hapettuu alumiinioksidiksi.

Termiitissä voidaan käyttää monia muita metallioksideja ja metalleja. Joitakin metalleja, joita voidaan käyttää, ovat boori, magnesium, kalsium, titaani, sinkki tai pii. Joitakin metallioksideja, joita voidaan käyttää, ovat kupari(II)oksidi, kromi(III)oksidi, rauta(II,III)oksidi, mangaani(IV)oksidi, piidioksidi, booritrioksidi tai lyijy(II,IV)oksidi. Metallia ei voida käyttää sen metallioksidin kanssa. Metallin on oltava reaktiivisempi kuin oksidissa oleva metalli, tai termiitti ei toimi.

Kemiallinen periaate

Termiitin perusidea on aluminoterminen reaktio: voimakkaasti reaktiivinen metalli (usein alumiini) pelkistää vähemmän reaktiivisen metallioksidin. Yleinen esimerkki on rauta(III)-oksidin ja alumiinin reaktio, jonka yksinkertaistettu reaktioyhtälö on:

Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

Tämä reaktio on eksoterminen: se vapauttaa suuren määrän lämpöenergiaa ja tuottaa usein sulan metallin (esimerkiksi nesteraudan) ja alumiinioksidin muodostaman kuona-aineen.

Reaktion ominaisuudet ja lämpötila

Termiitireaktiot ovat erittäin kuumia: Fe2O3–Al-termiitissä reaktion huippulämpötila voi nousta yli 2 500–3 000 °C, riittävästi sulattamaan rautaa. Muilla koostumuksilla saavutettavat lämpötilat voivat vaihdella riippuen käytetyistä aineista.

Reaktio voi olla hyvin nopea ja paikallisesti hyvin intensiivinen, mutta se ei ole kemiallisesti samaa luokkaa kuin räjähde: se ei tuota voimakasta paineiskua, ellei se ole jollain tavalla suljetussa tilassa tai sisältää lisäaineita, jotka muuttavat käyttäytymistä.

Yleisimmät koostumukset ja variaatiot

Rauta(III)-oksidi + alumiini — yleisin termiitti, käytetään muun muassa termit-hitsauksessa. Tuottaa nestemäistä rautaa ja alumiinioksidia.
Muita metalleja (boori, magnesium, titaani, sinkki, pii) ja metallioksideja (kupari(II)oksidi, kromi(III)oksidi, mangaanioksidi, piidioksidi jne.) voidaan yhdistää eri lämpötilojen ja tuotosten saamiseksi.
Metallin on oltava reaktiivisempi kuin oksidissa oleva metalli — muuten pelkistys ei tapahdu ja reaktio ei etene.

Käyttötarkoitukset

Termiitti tunnetaan erityisesti termiitti- eli aluminotermisesta hitsauksesta (esim. raiteiden liitokset), jossa reaktio tuottaa sulan metallin, jolla saadaan jatkuva hitsausliitos.
Sitä käytetään metallien talteenotossa ja joidenkin metallien valmistuksessa pelkistysreaktioiden avulla.
Termiittejä käytetään myös teollisuudessa metallileikkaus- ja sulatustoimissa sekä eräissä siviili- ja sotilaspuolen sovelluksissa. Joissain sovelluksissa termiitin korkea lämpötila on hyödyksi sulattamiseen tai juottamiseen.

Sytytys ja reaktion käynnistäminen

Termiitti ei syty helposti tavallisella tulitikulla tai kipinällä, koska reaktion käynnistämiseen tarvitaan korkea lämpötila. Tyypillisesti käytetään kuumempia lähteitä, kuten erityisiä sytyttimiä tai metallilankoja, jotka palavat korkeassa lämpötilassa. Reaktio on itseään ylläpitävä, kun se on kerran käynnistynyt.

Huom. tässä kirjoituksessa ei anneta yksityiskohtaisia ohjeita tai mittasuhteita valmistukseen tai sytyttämiseen. Termiitti voi aiheuttaa vakavia palovammoja ja vaurioita, joten käsittely vaatii ammattitaitoa ja asianmukaiset turvatoimet.

Turvallisuus ja varotoimet

Palo- ja lämpöriskit: termiitin palaminen tuottaa erittäin suuria lämpötiloja ja sulanutta metallia. Suojaa silmät, iho ja hengitystiet; käytä hitsaus- tai muiden korkean lämpötilan suojavarusteita.
Etäisyys ja suojaus: työskentele etäällä syttyvistä materiaaleista, käytä ruoste- ja palonkestävää alustaa ja tarvittaessa suojakilpiä. Älä sulje reaktiota ilmatiiviisti, sillä paineen kasvu voi olla vaarallinen.
Hävittäminen ja jäännökset: reaktion jälkeen syntyy kuonaa ja usein sulanutta metallia — käsittele ja hävitä paikallisten määräysten mukaisesti.
Oikeudellisuus: termiitin valmistus ja käyttö voivat olla rajoitettuja tai säänneltyjä tietyissä tilanteissa. Tarkista paikalliset lait ja määräykset ennen työskentelyä.

Lisätietoa

Termiitin toimintaperiaate on puhdasta kemiaa: oksidin pelkistyminen ja metallin hapettuminen. Sitä on tutkittu ja sovellettu runsaasti teollisuudessa, mutta samalla on tärkeää noudattaa turvallisuusohjeita ja välttää toimia, jotka voivat aiheuttaa vahinkoa ihmisille tai omaisuudelle.

Termiitin polttaminen

Termiitti ennen polttamista

Lisää termiitin palamista

Reaktio ja syttyminen

Alumiini-rauta(III)-oksidin termiitin reaktio on seuraava:

2 Al + Fe ₂O ₃→ Al ₂O ₃+ 2 Fe

Termiittiä on vaikea sytyttää. Sen on oltava hyvin kuumaa. Käytetään magnesiummetallia sisältäviä nauhoja. Termiitin sytyttämiseen voidaan käyttää kaliumpermanganaatin ja glyseriinin seosta. Se voidaan sytyttää sytytinkivisytyttimellä tai lapsen tuikkukynttilällä. Sitä voidaan sekoittaa rikin kanssa termiitiksi, jolloin rauta sulaa helpommin.

Vastoin yleistä mielipidettä metallit voivat palaa. Tavallisten metallien on kuitenkin oltava jauhettuja, tai ne johtavat lämmön pois liian nopeasti sytyttääkseen tulipalon.

Historia

Termiittireaktio (thermit) löydettiin vuonna 1893. Saksalainen kemisti Hans Goldschmidt patentoi sen vuonna 1895. Sitä kutsuttiin "Goldschmidtin reaktioksi" tai "Goldschmidt-prosessiksi". Goldschmidt yritti valmistaa erittäin puhtaita metalleja ilman hiilen käyttöä sulatuksessa. Hän havaitsi pian termiitin arvon hitsauksessa. Sitä alettiin käyttää 1900-luvun alussa junaradan hitsaamiseen.

Käyttää

Termiittiä käytetään sen alkuperäiseen tarkoitukseen, eli rautatiekiskojen hitsaamiseen yhteen. Sitä käytetään myös lankojen hitsaamiseen. Termiittiä käytetään myös joidenkin metallien valmistukseen. Kromia voidaan valmistaa kromi(III)oksidin ja alumiinin välisellä termiittireaktiolla. Ensimmäinen uraani valmistettiin termiitin avulla. Termiittiä voidaan käyttää myös ilotulitteissa muiden sytyttimien sytyttämiseen.

Termiittiä käytettiin armeijassa sytytysaseena. Sitä käytetään pääasiassa rakennusten ja laitteiden tuhoamiseen, koska se sulattaa metallin helposti. Termiittiin voidaan lisätä bariumnitraattia helpommin palavan seoksen aikaansaamiseksi. Erityisesti toisen maailmansodan aikana sotilaat pudottivat kaupunkeihin tuhansia termiittiä sisältäviä pommeja, jotka sytyttivät tulipaloja kaikkialla.

Turvallisuus

Termiittiä ei ole turvallista valmistaa kotona. Se vapauttaa ultraviolettivaloa, joka voi vahingoittaa silmiä. Se myös muodostaa erittäin kuuman liekin, joka voi sulattaa rautaa. Sitä on erittäin vaikea sammuttaa. Termiittiseoksesta voi virrata sulaa rautaa, joka sytyttää kaiken, mihin se koskettaa. Jotkin metallit, kuten sinkki, voivat kiehua ja syttyä liekkeihin, kun ne laitetaan termiittiin. Jos termiitti esilämmitetään ja sytytetään, se voi palaa hyvin nopeasti ja vapauttaa valtavan määrän lämpöä ja valoa. Jos sitä pudotetaan veteen, se voi kiehua hyvin nopeasti ja aiheuttaa räjähdyksen. Sen pudottaminen jään päälle voi saada jään räjähtämään, mutta on turvallista pudottaa se kolmen litran dekantterilasiin, joka on täytetty kevyesti kostealla hiekalla.

Aiheeseen liittyvät sivut

Räjähdysaltis
Savupommi

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on termiitti?

A: Termiitti on sytytysseos, joka on valmistettu vähemmän reaktiivisen metallin oksidista, joka on sekoitettu reaktiivisempaan metalliin.

K: Onko termiitti räjähtävää ainetta?

V: Ei, termiitti ei ole räjähtävä aine.

K: Mitä tapahtuu, kun rauta(III)-oksidi-alumiiniseosta käytetään termiitissä?

V: Termiitissä käytettävässä rauta(III)oksidin ja alumiinin seoksessa rauta(III)oksidi hapettaa alumiinin ja pelkistyy samalla raudaksi, ja alumiini hapettuu alumiinioksidiksi.

K: Mitä muita metallioksideja ja metalleja voidaan käyttää termiitissä?

V: Joitakin muita metallioksideja ja metalleja, joita voidaan käyttää termiitissä, ovat boori, magnesium, kalsium, titaani, sinkki, pii, kupari(II)oksidi, kromi(III)oksidi, rauta(II,III)oksidi, mangaani(IV)oksidi, piidioksidi, booritrioksidi tai lyijy(II,IV)oksidi.

Kysymys: Voidaanko metallia ja sen metallioksidia käyttää termiitissä?

V: Ei, metallia ei voi käyttää termiitin valmistukseen sen metallioksidin kanssa.

K: Miksi metallia ei voi käyttää termiitissä sen metallioksidin kanssa?

V: Metallia ei voi käyttää termiitissä metallioksidinsa kanssa, koska metallin on oltava reaktiivisempi kuin oksidissa oleva metalli, tai termiitti ei toimi.

K: Mikä termiitissä palaa hyvin nopeasti ja hyvin kuumana?

V: Termiitti palaa hyvin nopeasti ja hyvin kuumana.