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REACCIÓN TERMITA

La reacción de termita es una reacción generadora de calor con polvo de aluminio y óxido de hierro como reactivos principales. Cuando la temperatura supera los 1250 ° C, el polvo de aluminio se oxida violentamente, quemando y liberando mucho calor. La temperatura de esta reacción exotérmica puede alcanzar más de 3000 ° C. La reacción de la termita es muy rápida y el tiempo de acción es corto. Cuando se agrega el polvo de ferrosilicio, el efecto puede aliviarse, lo que es beneficioso para prolongar el tiempo de acción. Se puede agregar una pequeña cantidad de oxidante fuerte, como nitrato de sodio y nitrato de potasio, para fundir piezas de fundición de aleación de cobre con una temperatura de aproximadamente 1000 ~ 1100 ° C.El magnesio también se puede agregar como agente de ignición para que reaccione a una temperatura más baja. Autopropagación En 1895, el id Go ldschm idt alemán descubrió la característica de propagación automática de la reacción de termita. La aplicación industrial de la reacción de termita comienza con la soldadura por flujo de rieles de acero. Este es el fundador de los productos alemanes de soldadura térmica de

aluminio de Schmidt actualmente en uso en China. Desde finales de la década de 1960, dado que la difusión de la síntesis de alta temperatura (SHS) formó una nueva disciplina en la antigua Unión Soviética, se han realizado muchas investigaciones en varios países y se han realizado grandes progresos. La tecnología de síntesis autopropagante de alta temperatura fue descubierta y propuesta por primera vez por los ex científicos de la Unión Soviética Merzhanoy y Borovinskaya al estudiar el problema de la combustión de los propulsores sólidos de cohetes, y experimentar con la reacción de metales de transición y carbono de boro, nitrógeno, etc., también conocida como síntesis de combustión ( CS). Se caracteriza por el uso de energía externa para inducir que el sistema de reacción química exotérmica provoque localmente una reacción química (ignición) para formar un frente de reacción química (onda de combustión). Posteriormente, la reacción química continúa con el apoyo de su propia liberación de calor, que se manifiesta por la propagación de la onda de combustión. En lo que respecta al sistema de reacción completo, el material requerido (polvo o cuerpo consolidado) finalmente se sintetiza. SHS ha formado una disciplina independiente. En este capítulo, se presentan brevemente los últimos resultados de investigación de la reacción de termita. Las ventajas más destacadas de SHS son: proceso simple, tiempo de proceso corto; menos contaminación y alta pureza; uso máximo de

energía química en la síntesis artificial de materiales para ahorrar energía ; Puede integrar una variedad de procesos como la síntesis de materiales y la sinterización. Desde el descubrimiento del SHS hasta principios de la década de 1980, solo la antigua Unión Soviética realizó una investigación sin ponerla a disposición del público. La antigua Academia de Ciencias de la Unión Soviética otorgó gran importancia a la investigación de la tecnología SHS, y separó específicamente una unidad del Instituto de Química Física de su Academia de Ciencias para la investigación, lo que luego se conoció como el Instituto de Macrodinámica Estructural. El instituto realizó una amplia gama de investigaciones sobre SHS y logró resultados innovadores. En la década de 1990, a pesar del pobre entorno general de investigación científica en Rusia, su nivel general de investigación en el campo de SHS se mantuvo a la vanguardia del mundo. La ex Unión Soviética ha trabajado mucho en el establecimiento de la teoría SHS y el desarrollo de la tecnología SHS y sus aplicaciones. En teoría, establecieron y desarrollaron la teoría de la combustión SHS, y la combinaron con la ciencia de los materiales, presentaron la teoría de la macrodinámica estructural y establecieron la relación entre el proceso de combustión y la formación de la estructura del material en el proceso SHS; en términos de

aplicación, Se han desarrollado una serie de tecnologías que combinan síntesis de polvo de material inorgánico con tecnologías de moldeo y densificación. Después de la década de 1980, SHS se extendió a Estados Unidos, Japón, China y otros países, y comenzó a desarrollarse en todo el mundo. Los científicos estadounidenses tienen los resultados más sólidos en la investigación básica de SHS, y el poder de investigación también es el más poderoso. Han desarrollado nuevos modelos de combustión y síntesis de combustión de materia orgánica y tecnología SHS no convencional. [1] principio El principio de la reacción de termita es una reacción de oxidaciónreducción del elemental de aluminio en condiciones de alta temperatura, que refleja la fuerte reducción del aluminio . Debido a que la entalpía de formación de alúmina (-1645kJ / mol) es extremadamente baja, la reacción emitirá un gran calor e incluso el metal resultante puede aparecer en estado fundido. Por otro lado, la reacción libera mucho calor para fundir el aluminio, y la reacción continúa en la fase líquida para hacer que la velocidad de reacción sea extremadamente rápida y liberar una gran cantidad de calor en poco tiempo. La severidad de la reacción de termita está determinada por la oxidabilidad

del ion

metálico . Se

estima

que

500

gramos

de termita (compuesta de óxido de hierro y aluminio) se quemarán en 30 segundos. Expresión: 2yAl + 3MxOy → yAl ₂O ₃ + 3xM (M es un elemento metálico) Ecuación química de reacción experimental : Óxido de hierro : 2Al + Fe 2 O 3 → 2Fe + Al₂O₃ Óxido férrico : 8Al + 3Fe 3 O 4 → 9Fe + 4Al₂O₃ Dióxido de manganeso : 4Al + 3MnO 2 → 3Mn + 2Al₂O₃ Pentóxido de vanadio : 10Al + 3V 2 O 5 → 6V + 5Al₂O₃ Óxido de cromo : 2Al + Cr 2 O 3 → 2Cr + Al₂O₃ (Técnica de equilibrio de reacción térmica: tome el mínimo común múltiplo de oxígeno en ambos lados del óxido en el reactivo y el producto para equilibrar rápidamente. Por ejemplo, en el método de termita, se puede tomar el múltiplo común más pequeño de 12 en Fe₃O₄ y Al₂O₃, luego se debe tomar Fe ₃O ₄ 3. Al 2 O 3 debe ser 4 antes, entonces puede obtener Al 8 y Fe 9 El producto de la reacción de termita.

La reacción química de la termita es una reacción de oxidación-reducción, que utiliza una proporción de flujo de termita preparada mediante la reducción de metal (aluminio) y óxido de metal (óxido de hierro) aleación de hierro y restos de clavos de hierro, etc. Se enciende inmediatamente y provoca una fuerte reacción química. Durante la reacción, se reduce el hierro (Fe). Debido a la gravedad específica del hierro que se hunde en el fondo del crisol, la escoria de aluminio se oxida a óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) más ligera en la parte superior, y una enorme El acero fundido en caliente de aluminio a alta temperatura se vierte en el molde de arena abrochado en la junta del riel, los extremos de los dos rieles se funden, el metal que se vierte se usa como metal de relleno y el riel de acero se suelda. La afinidad química de varios metales es diferente. Un metal con una mayor afinidad por el oxígeno puede reducir un metal con una menor afinidad por el oxígeno de sus óxidos. A una temperatura suficientemente alta, el aluminio tiene una fuerte afinidad química con el oxígeno. Puede tomar oxígeno de muchos óxidos de metales pesados y reducir metales pesados, como hierro, titanio, silicio, manganeso, cromo, vanadio, El tungsteno, etc. se reduce y se libera una cierta cantidad de calor al mismo tiempo. Para obtener acero de termita de alta calidad, se puede agregar polvo de grafito al flujo de termita para ajustar el contenido de carbono de acuerdo

con los diferentes requisitos, y se pueden agregar algunos elementos de aleación como manganeso, silicio, titanio, molibdeno, etc. [1] El proceso de reacción y los principales productos de la termita. El flujo de termita en el crisol se enciende inmediatamente para reaccionar químicamente para producir una cierta cantidad de hierro. Después de agregar elementos de aleación, la composición química se ajusta para formar un acero aluminotérmico, y se generan al mismo tiempo escoria de Al 2 O 3 y otros componentes como MnO y FeO. Después de ingresar a la escoria, la reacción se completa en unos pocos segundos, pero debe haber un tiempo fijo (tiempo de sedación) después de que se complete la reacción, es decir, después de que la reacción esté en calma, se puede clavar y verter en el momento apropiado para garantizar que la reacción se complete y se garantice el calor de aluminio. El acero contiene una cierta cantidad de aluminio. Los principales productos de reacción de la soldadura de termita son el acero de termita líquido y la escoria. De acuerdo con la fórmula de reacción química principal de la soldadura de termita, calcule teóricamente la producción de hierro puro y escoria, ya que la reacción no puede completarse y la escoria también se mezcla con hierro, de hecho, la cantidad de hierro producido es inferior al valor calculado. El componente principal de la escoria es Al 2 O 3 , combinado con una pequeña cantidad de óxido de hierro, óxido de manganeso

y silicato. El óxido de hierro puede hacer que la escoria sea negra, el óxido de manganeso hace que la escoria sea marrón, y la escoria del acero caliente de aluminio normal es marrón. Temperatura de reacción de termita La afinidad de un metal con el oxígeno es grande, lo que significa que el metal tiene un mayor calor de formación durante la combustión. Por ejemplo, la afinidad del aluminio y el oxígeno es mayor que la del hierro y el oxígeno. Esto se debe a que el calor de la combustión es mayor, por lo que los átomos de oxígeno son La combinación de liberar hierro y dar paso a la reacción química térmica de aluminio y aluminio libera mucho calor, por lo que la temperatura de la escoria y el acero fundido se eleva a una temperatura muy alta. Según la literatura, esta temperatura puede alcanzar 2500 ℃ ~ 3500 ℃. A partir de las necesidades reales de soldadura, se puede agregar una cantidad adecuada de aditivos, por un lado, la temperatura del acero fundido se reduce a aproximadamente 2000 21 ~ 2100 ℃, al tiempo que aumenta la tasa de producción de acero. Procedimientos de operación 1. Mezcle el óxido de hierro y el polvo de aluminio de acuerdo con la relación de volumen de 3: 2 para hacer la termita y póngala en el recipiente

2. Tome una pequeña cantidad de clorato de potasio y muélalo completamente, espolvoree encima de la termita 3. Tome una tira de magnesio de unos 10 cm, púlsela con papel de lija e insértela en la parte superior de la termita. 4. Encienda la barra de magnesio y use gafas de sol para evitar que el flash lastime sus ojos. 5. Ponga un poco de chatarra debajo de la termita, que puede derretirse por una gran cantidad de calor generado cuando la termita se quema, convirtiéndose en hierro fundido caliente, de color amarillo brillante, que es muy espectacular. ten cuidado. Fenómeno experimental: la barra de magnesio se quema violentamente y emite una gran cantidad de energía térmica, por lo que el polvo de óxido de hierro y el polvo de aluminio sufrirán una reacción redox violenta a altas temperaturas. Finalmente, se producen hierro líquido y alúmina. [2] Precauciones La reacción de la termita tiene un cierto grado de peligro, no está permitido hacer este experimento en casa o en la habitación, de lo contrario es fácil causar accidentes como quemaduras químicas altas y explosiones químicas graves. Si está interesado en la termita, puede elegir una habitación

al aire libre o segura con medidas de protección contra incendios para el experimento. Se recomienda usar óxido férrico como óxido de metal y controlar estrictamente la cantidad de reactivos. Se recomienda que el polvo de aluminio sea un poco excesivo para hacer El óxido metálico reacciona por completo. Cuando use barras de magnesio, tenga en cuenta que las barras de magnesio deben pulirse o encurtirse para eliminar la película de óxido , y aproximadamente 10 cm, el calor demasiado corto no es suficiente, el tiempo de combustión demasiado largo es demasiado largo y puede causar desperdicio. No agregue agua al recipiente receptor, de lo contrario el metal reaccionará con el agua para generar hidrógeno y explotará o hará que el agua hierva rápidamente y salpique el metal líquido. Nunca en la descarga de reacción y otros materiales combustibles, materiales inflamables o explosivos en las proximidades del vidrio. Cuando se usa clorato de potasio como oxidante, no se debe aumentar la dosis, de lo contrario, provocará una expansión violenta del gas y una explosión física y una reacción violenta entre el polvo de aluminio y el clorato de potasio para producir una explosión química . Antes de encender el reactivo, evacue al personal circundante y mantenga una distancia (diez Más de cinco metros). Al encender el cinturón de magnesio , puede usar un encendedor a prueba de viento, una antorcha o una lámpara de alcohol. Cuando la barra de

magnesio se vuelve negra y se encuentran chispas, significa que la barra de magnesio ha absorbido suficiente calor y está a punto de quemarse. En este momento, debe continuar calentando y preparándose para evacuar. Después de encender el cinturón de magnesio, para alejarse a una distancia adecuada lo antes posible, el experimentador debe usar gafas de sol o equipo antideslumbrante para observar el fenómeno experimental, a fin de evitar que los ojos se quemen por la intensa luz de la reacción de termita. Absolutamente no

permita

que los

reactivos observen

el

siguiente

fenómeno

de

reacción. Durante la reacción, se expulsará el metal fundido a una temperatura alta de 900 a 1500 ° C. En este momento, las personas alrededor deben aislarse y no debe abordarse. Una vez finalizada la reacción, no debe verterse con agua y debe dejarse enfriar de forma natural. Durante la reacción, es fácil generar óxidos metálicos que reaccionan violentamente, como el dióxido de manganeso, etc. Se recomienda no usar la cámara para disparar. Si necesita disparar y analizar, es mejor usar una lente que sea resistente a la luz fuerte o película negra en la lente. [3] Alerta de peligro La reacción de la termita es extremadamente peligrosa. Debido a la baja entalpía de formación de alúmina, inevitablemente provocará la salpicadura de una gran cantidad de materiales fundidos a alta temperatura, causando graves

consecuencias como quemaduras. Y debido a las salpicaduras, es posible dañar a otros. No se debe prestar especial atención para configurar la termita con óxido de cobre. La temperatura cuando el óxido de cobre reacciona con el polvo de aluminio puede cambiar el cobre a un estado gaseoso , lo cual es extremadamente peligroso. Si se usa óxido de hierro para termita, se recomienda usar óxido férrico en lugar de óxido de hierro. El óxido de hierro se descompone en óxido férrico y oxígeno a alta temperatura. El oxígeno libre también es muy peligroso debido a los peligros mencionados anteriormente, se recomienda que la gente común no haga este experimento. utilizar La reacción de la termita es muy intensa, por lo que es difícil de extinguir después del encendido. Si se enciende sobre otros objetos metálicos como el acero, también se derretirá a través de los objetos metálicos y agravará la reacción. Tan a menudo

Se usa para hacer proyectiles perforantes que pueden derretirse a través de la armadura. El calor liberado durante la reacción de termita puede derretir el metal de alto punto de fusión y fluir, por lo que el método de termita se usa ampliamente en proyectos de rescate de soldadura. Además, el método de la termita también es un método importante para fundir metales de alto punto de fusión como vanadio , cromo y manganeso. Además, cuando otros elementos metálicos se mezclan con óxidos metálicos y se encienden, también se producirá una fuerte reacción redox , el efecto es similar a la reacción de termita. El metal elemental puede ser aluminio, magnesio, calcio, titanio o boro y silicio no metálicos, y el óxido metálico

puede

ser trióxido

de

cromo ,

dióxido

de

manganeso,

óxido ferroso , óxido férrico, óxido férrico, Óxido de cobre y trióxido de plomo u óxido no metálico, dióxido de silicio, trióxido de boro, etc. A veces,

estas reacciones también se denominan "método térmico de magnesio", "método térmico de silicio", "método térmico de calcio", "método carbotérmico", etc., según el agente reductor en la reacción. (Nota: ¡Una mezcla de óxido de aluminio y cobre se encenderá violentamente después de encenderse!) El principio de reacción de termita se puede aplicar a la producción, como soldar

rieles,

fundir

metales

refractarios

y

fabricar

pirotecnia

tradicional. Algunos óxidos metálicos (como V2O5 , Cr2O3, MnO2, etc.) en lugar de óxido de hierro también se pueden usar como termita. Cuando el polvo de aluminio reacciona con estos óxidos metálicos, genera suficiente calor para hacer que el metal reducido esté fundido a una temperatura más alta y se separa de la escoria formada para obtener un metal más puro. Este método se usa comúnmente en la industria para fundir metales refractarios como vanadio , cromo y manganeso....