Termiit — mis see on? Koostis, tööpõhimõte ja keemiline reaktsioon

Termiit — mis see on? Loe koostist, tööpõhimõtet ja keemilist reaktsiooni: raud(III)-oksiidi ja alumiiniumi reaktsioon, äärmuslik põlemine, ohutus ja rakendused.

Termiit on väga kuumalt reageeriv süütesegu, mille põlemine on äärmiselt eksotermiline. See ei ole plahvatusohtlik materjal traditsioonilises mõistes (st ei teki detoneerivat üle- või šokienergiat nagu põrkeplahvatus), kuid termiidi reaktsioon võib väga kiiresti ja väga kõrgel temperatuuril kulgeda ning tekitada sulavat metalli ja kuuma tuhka.

Koostis

Termiit koosneb tavaliselt kahest põhikomponendist: vähem reaktiivsest metalli oksiidist ning peentest, reaktiivsematest metallipulbritest. Üks levinumaid segu­sid on raud(III)-oksiid-alumiinium, kus raud(III)oksiid (Fe2O3) reageerib alumiini­umiga (Al). Raud(III)oksiid oksüdeerib alumiiniumi, redutseerudes seejuures rauaks. Alumiinium oksüdeerub alumiiniumoksiidiks.

Termiidi jaoks saab kasutada ka paljusid teisi metalloksiide ja metalle. Mõned metallid, mida saab kasutada, on boor, magneesium, kaltsium, titaan, tsink või räni. Mõned metalloksiidid, mida saab kasutada, on vask(II)oksiid, kroom(III)oksiid, raud(II,III)oksiid, mangaan(IV)oksiid, ränidioksiid, booritrioksiid või plii(II,IV)oksiid. Metalli ei saa kasutada koos selle metallioksiidiga. Metall peab olema reaktiivsem kui oksiidi metall, muidu termiit ei toimi.

Tööpõhimõte ja keemiline reaktsioon

Termiidi reaktsioon on tüüpiline redoksreaktsioon: üks aine (metallioksiid) annab hapniku ning selle hapnikukeha redutseerub, samal ajal kui teine aine (reaktiivsem metall) oksüdeerub. Lihtsustatult väljendatuna iseloomustab seda näide rauaoksiidi ja alumiiniumi vahel:

Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

Selle käigus vabaneb suur kogus soojusenergiat — reaktsioon on tugevalt eksotermiline — ning vabanenud soojus võib sulatada reaktsiooni tooteid (nt tekkiv elementaarne raud), mille temperatuur võib ulatuda mitmetesse tuhandeid kraadidesse. Termiidi lõpptoodeteks on sageli sulav ja tahke alumiiniumoksiid ning moodustunud metalli elementaarne vorm (nt raud).

Temperatuur ja omadused

• Reaktsiooni lokaaltemperatuur võib ulatuda umbes 2000–3000 °C-ni, sõltuvalt segu koostisest ja tingimustest — piisav sulatamaks peaaegu kõiki tööstuslikke metalle.
• Termiidi põlemine toimub hapniku arvelt, mida annab metallioksiid ise; see tähendab, et reaktsioon ei vaja välistingimustes õhku, vaid jätkub ka piiratud õhuga või õhuta tingimustes.
• Segud tekitavad intensiivset kiirgust, kuuma lendtulba ja sulametalli; neid ei saa tavalise veega efektiivselt kustutada ja need võivad vee lisamisel plahvatuslikult pritsida kuuma metalli.

Variandid ja kasutusalad

Termiidi variante on mitmeid. Näiteks mõningaid segusid muudetakse eesmärgiga kiirendada reaktsiooni, alandada süttimisenergiasid või muuta tulemusmore (nt termate). Praktikas kasutatakse termiiti tööstuslikult, näiteks rongirataste keevituses (thermite welding), kus seda rakendatakse raua- ja teraseühenduste kohaliku sulatamise saavutamiseks. Samuti leiab termiit kasutust metallilõhkamises, metallurgia laboritöös ning mõnikord pyrotehnilistes või sõjalistes rakendustes.

Ohutus ja seaduslikkus

Termiit on ohtlik aine ning selle käsitlemine nõuab spetsiaalset oskust, sobivaid kaitsevahendeid ja vastavat varustust. Olulisemad ohutusalased punktid:

• Kõrge kuumus ja lendtulb — reaktsioon tekitab sulavat metalli ja tihedat sädemetut, mis võivad põhjustada tõsiseid põletusi või süttimisi.
• Vees mitte-kustutatav — vesi vee lisamisel võib põhjustada kuuma metalli pritsimist või aurupurskeid; tavalised kustutusmeetodid ei pruugi olla efektiivsed.
• Vajalikud kaitsevahendid — isikukaitsevahendid, tulekustutusseadmed ja sobiv töökeskkond on hädavajalikud; tööga peaksid tegelema väljaõppinud spetsialistid.
• Seaduslik reguleerimine — termiidi omamine ja kasutamine võib olla reguleeritud või piiratud sõltuvalt riigi seadusandlusest; kontrolli kohalikke eeskirju ja nõuetekohaseid loa- või teavituskohustusi.

Keemilised ja tehnilised märkused

Termiidi reaktsiooni efektiivsust mõjutavad mitmed tegurid: välja valitud metalli ja metallioksiidi kombinatsioon (reaktiivsussari), osakeste suurus, segamise ühtlus ning kokkupuute tingimused. Üldine nõue on, et metall, mis reageerib, peab olema piisavalt leelis- või reduktiivsem, et vähendada oksiidi metalli iooni ja võtta sellelt hapnik.

Märkus: Selles tekstis on selgitatud termiidi koostist, tööpõhimõtet ja ohte üldisel teaduslikul tasemel. Konkreetsete retseptide, segamismeetodite, süütamisvahendite või samm-sammuliste juhiste jagamine, mis võimaldavad aine ohutut või kurikuulsat kasutamist ilma nõuetekohase väljaõppeta, pole siin esitatud.

Küsimused ja vastused

K: Mis on termiit?

K: Kas termiit on plahvatusohtlik materjal?

K: Mis juhtub, kui termiidi valmistamiseks kasutatakse raud(III)-oksiid-alumiiniumi segu?

K: Milliseid muid metalloksiide ja metalle võib termiidi valmistamiseks kasutada?

Küsimus: Kas metalli võib kasutada termiidi jaoks koos selle metallioksiidiga?

K: Miks ei saa metalli koos oma metallioksiidiga termiidi jaoks kasutada?

K: Mis termiit põleb väga kiiresti ja väga kuumalt?

Otsing