Terminen reaktio

THERMIT reaktio Fe ₂ O ₃

Thermit tuhoaa valurautapannun

Hallitsemattoman kuuman metallin roiskumisen vaara

Kaavio aluminotermisen reaktion laboratorioasetuksista. (1) Superplastisaattori (2) Reaktioseos (termiittiseos) (3) Sytytyskirsikka (4) Sulake

Valmistelu hitsaamiseksi kiskon liitos (valamalla)

Terminen reaktio upokkaassa rautatien yläpuolella

Aluminothermically hitsattu rautatie yhteisiä , maa

Termiittireaktion on redox-reaktio , jossa alumiini kuin pelkistintä käytetään rauta (III) oksidi ja rauta vähentää . Alumiinijauheen ja rautaoksidijauheen seoksella on tuotenimi Thermit . Reaktio on hyvin eksoterminen , ts. Voimakkaalla lämmönkehityksellä. Reaktiotuotteet ovat alumiinioksidia ja alkurautaa hehkuvassa nestemäisessä tilassa alumiinin oksidin kelluessa raudan päällä. Reaktio tapahtuu, esimerkiksi, on saviupokkaan , bariumperoksidi kanssa magnesiumin on termiittireaktion kevyempi samanlainen kuin timantti on käytetty kuin sytytyksen aineena .

Reaktiosekvenssi

Rautaoksidin ja alumiinin välinen eksoterminen kemiallinen reaktio, jota kutsutaan yleisesti muunnokseksi, tuottaa nestemäistä, vähähiilistä rautaa ja nestemäistä alumiinikuonaa ( alumiinioksidia , korundia ) noin 2400 ° C : n lämpötilassa :

${\ displaystyle \ mathrm {Fe_ {2} O_ {3} +2 \ Al \ longrightarrow 2 \ Fe + Al_ {2} O_ {3}; \ Delta H = {-} 851 {,} 5 \ {\ frac { kJ} {mol}}}}$

Muodostumista Al ₂ O ₃ elementtejä päästöjen 1675,7 kJ / mol, ja muodostumista Fe ₂ O ₃ elementtejä päästöjen 824,2 kJ / mol:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Al + {\ frac {3} {2}} \ O_ {2} \ longrightarrow Al_ {2} O_ {3}; \ Delta H = {-} 1675,7 \ {\ frac {kJ } {mol}}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Fe + {\ frac {3} {2}} \ O_ {2} \ longrightarrow Fe_ {2} O_ {3}; \ Delta H = {-} 824,2 \ {\ frac {kJ } {mol}}}}$

Muodostamiseksi Al ₂ O ₃ päässä Fe ₂ O ₃ , se on ensin eriteltynä, ja tämä vaatii 824,2 kJ / mol. Kun Al ₂ O _{3 on muodostettu} , yhteensä vain 1675,7-824,2 = 851,5 kJ / mol vapautuu tässä tapauksessa.

Yksi termiittihitsauksen haasteista on reaktion vakavuus. Välttää se on niin vilkas että sisältö upokkaan kiehuvaksi ja metallin ja kuonan ovat yhtä menetetään, ei-magneettinen hematiitti on usein korvattu magneettinen magnetiitti , joka voidaan uuttaa pois laajuuden ja liikkuvan myllyt :

${\ displaystyle \ mathrm {3 \ Fe_ {3} O_ {4} +8 \ Al \ longrightarrow 9 \ Fe + 4 \ Al_ {2} O_ {3}}}$

Raudan ja teräksen lisäksi muita metalleja, kuten kuparia , nikkeliä , titaania , kromia ja mangaania voidaan valmistaa tai lisätä samalla menetelmällä ( aluminoterminen ) , esim. B.:

${\ displaystyle \ mathrm {3 \ Cu_ {2} O + 2Al \ longrightarrow 6 \ Cu + Al_ {2} O_ {3}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {3 \ NiO + 2 \ Al \ longrightarrow 3 \ Ni + Al_ {2} O_ {3}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {3 \ TiO_ {2} +4 \ Al \ longrightarrow 3 \ Ti + 2 \ Al_ {2} O_ {3}}}$

historia

Saksalainen kemisti Hans Goldschmidt kehitti termiittimenetelmän vuonna 1894, ja sitä käytetään edelleen kiskonivelien alumiinitermiseen hitsaukseen . Maanomistajana Paulinenaueella Hans Goldschmidt johti hitsaus- ja puusepän myymälää tutkivaa työpajaa vuodesta 1918 kuolemaansa saakka.

turvallisuus

Aluminotermiset hitsausseokset eivät ole räjähteitä, ja ne voidaan saada reagoimaan (syttymään) vain käyttämällä paljon lämpöä ( aktivointienergia ). Hitsaustarkoituksessa käytetyn täyteaineen syttymislämpötila on yli 1500 ° C; tämä saavutetaan pyroteknisellä sytyttimellä, mutta yksinkertainen magnesiumsauva voi myös tuottaa tarvittavan energian ja lämpötilan. Propaania ja happea sisältävä kaasupoltin sopii myös sytyttimeksi. Turvallisuussyistä termiittihitsausyhdisteet ja sytyttimet varastoidaan erikseen, jotta tulipalon sattuessa palavat sytyttimet eivät putoa hitsausaineeseen.

Aluminotermisten hitsausyhdisteiden tilavuuteen tai painoon liittyvä energiatiheys (spesifinen entalpia ) on merkittävästi pienempi kuin ilmakehän hapella palavien aineiden (kevytmetallit, fosfori, bensiini, bentseeni, napalmi II). Vertailu: Aluminotermisissä hitsausosissa on noin neljäsosa puun spesifisestä entalpiasta. Tämä johtuu siitä, että näissä osissa oleva rautaoksidi ei tuota lainkaan energiaa, mutta se on ensin jaoteltava metalliseksi rauta- ja happi-ioniksi, mikä vaatii huomattavan määrän energiaa.

Koska reagoivat aluminotermiset hikiosat eivät vaadi ulkoista happea , reaktiota ei voida tukahduttaa ja sytyttää missään ympäristössä - edes hiekan tai veden alla - ja jatkaa palamista.

Sammutusyritykset vedellä ja kosteudella johtavat toiseen redoksireaktioon, jossa vähemmän jalometallit pelkistävät vettä ja siten muodostuu metallioksidia ja vetyä:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Al + 3H_ {2} O \ longrightarrow 3 \ H_ {2} + Al_ {2} O_ {3}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Fe + 3H_ {2} O \ longrightarrow 3 \ H_ {2} + Fe_ {2} O_ {3}}}$

Näissä lämpötiloissa syntynyt vety reagoi ilmakehän hapen kanssa muodostaen vettä, joka puolestaan ​​reagoi alumiinin ja raudan kanssa. Veden läsnäolo on siis suuri vaara aluminotermisessä reaktiossa ja johtaa hehkuvien aineiden sekä räjähtävien vety-happiseosten ( oksihydrogeenien ) räjähdysherkkään poistumiseen . Aluminotermiset seokset on siksi varastoitava kuivassa paikassa. Rata-rakenteen hitsauskohdat lämmitetään yleensä etukäteen yli 100 ° C: seen kaasupolttimella niiden kuivumiseksi.

Sovellukset

Aluminotermisten reaktioiden sovellukset ovat erilaisia. Yleisin sovellus on vähentäminen ja rauta (III) oksidi , jolloin lämpötila on yli 2000 ° C: ssa voidaan saavuttaa:

Thermit-hitsaus radanrakentamisessa

Kiskot hitsattiin ensimmäisen kerran termiitillä raitiovaunussa Essenissä vuonna 1899. 1920-luvulle rakennettiin maailmanlaajuinen myynti- ja tuotantoverkko. Vuonna 1928 Deutsche Reichsbahn esitteli termiittihitsauksen tavallisena hitsausprosessina. Lähes kaikki muut rautatieyhtiöt maailmassa seurasivat toisen maailmansodan jälkeen.

Valetut puolimuotit on kiinnitetty kiskojen sivuihin, jotka ovat tiukasti linjassa noin 2 cm: n rakon kanssa, puristettu kiinnityslevyillä ja sinetöity muovihiekalla . Kiskon päät ja muotti kuivataan ja esilämmitetään sitten kaasuliekillä. Sulatusuuni (nykyään usein täysin täytetty, kertakäyttöinen metalli ämpäri), jossa on fireclay vuori sijoitetaan tarkalleen yläpuolelle syöttökanavan . Turvalle puolelle lisätään vasta sitten sulake, sulake sulakkeella tai jo palanut sulake. Keskireiän upokkaan korkin asettaminen eristää ja suojaa roiskeilta samalla kun jauheseos muuttuu tupakoinnin aikana. Aiemmin valu laukaistiin manuaalisesti, nykyään se laukaistaan ​​yleensä sulatuksella. Nestemäinen teräs juoksee muottiin, täyttää sen ja kulkee nousukanavien yli, jolloin kiskon päät sulavat hieman. Kolmen minuutin kuluttua hitsauspiste on jähmettynyt siinä määrin, että muoto voidaan poistaa ja työstö voidaan aloittaa yläpuolella leikkaamalla. Kun se jäähtyy, hitsauspiste jauhetaan karkeasti, nousuputket poistetaan ja käyttöpinta hienosäädetään sen jäähtymisen jälkeen. Vanadiinin kaltaiset lisäaineet tekevät hitsausteräksestä kovempaa kuin todellinen kiskoteräs.

Kiskonivelen alumiinitermisellä valuhitsaushitsauksella (lyhenne: AS) lyhyellä esilämmityksellä (… -SkV) on useita etuja: Se suoritetaan suhteellisen kätevällä laitteella eikä se kuluta jo makaavien kiskojen pituutta. , koska se tuo nestemäistä rautaa liitosrakoon. Se on myös erittäin hyödyllinen kytkimissä. - Hitsauslaitoksissa vaihtoehtoinen pikahitsaus (RA) on kuitenkin tehokkaampaa.

Kiskonivelien hitsaus johtaa vakaampaan raiteen asentoon, mikä vähentää seuranta- ja ylläpitokustannuksia. Lisäksi saumattomasti hitsatut kiskot vähentävät pyörän ja kiskon melua . Kiskojen saumaton hitsaus toisiinsa vähentää rautatieliikenteen melua 6 dB (A).

Thermit-hitsaus korjaushitsausprosessina

Thermit-hitsausta käytettiin menestyksekkäästi korjaushitsausprosessina , kunnes tehokkaammat hitsausprosessit kehitettiin ensimmäisen maailmansodan jälkeen .

aseita

Electron Thermitstäbe olivat sotia palopommit ja incendiaries käytetty.

Yhteistyössä sveitsiläisen alumiiniteollisuusyhtiön (AIAG) kanssa 1940-luvun lopulla Sveitsin armeija kehitti erityiset aluminotermiset prosessit erilaisten asejärjestelmien tekemiseksi käyttökelvottomiksi.

Muiden elementtien esitys

Redox-reaktio alumiini ( aluminothermy olla) voidaan myös käyttää, jotta muut metallioksidit, tai - malmit , kuten uraani , kromi (III) oksidi , silika tai mangaanioksidia vastaavaan metallien tai puolimetalleja vähentää .

Esittelyt

Koska vaikuttava reaktio valotehosteilla ja ympärillä ruiskuttavilla rautapisaroilla, termiittiä käytetään näyttelykokeissa. Lämpöreaktioon liittyy kuitenkin huomattavia vaaroja, varsinkin kun kosteutta on läsnä. Katso Suojaus- osio .

Räjähdyssuoja

Terminen reaktio voi tapahtua myös voimakkaan mekaanisen kosketuksen kautta, jos z. B. lyö ruosteelle alttiit rautaosat alumiinilla. Voidaan tehdä kipinöitä, jotka kykenevät sytyttämään metaanikaasuseoksia .

Yksittäiset todisteet

1. B ^{a b} Stephan Kallee: Thermitschweißung - rautateiden aluminoterminen hitsaus.
2. ↑ ^{a b} Radanrakennuksen maailma: Alu-Thermit-hitsaus.
3. ↑ ^{a b} Peter W. Atkins ja Julio de Paula, kääntäjä Michael Bär: Physikalische Chemie, 5. painos, maaliskuu 2013, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN 978-3-527-33247-2 .
4. ↑ ^b Stephan Kallee: THERMIT prosessi noin 1910 - Yksi ensimmäisistä riippumattomia julkaisuja alumiinitermisellä hitsauksen Amerikassa.
5. ^ Richard N. Hart: Lämpöprosessi. Julkaisussa: Hitsausteoria, käytäntö, laitteet ja testit. Sähkö-, lämpö- ja kuumaliekkiprosessit. McGraw-Hill Book Company, Lontoo, 1910, sivut 152-153 ja 121-158.
6. ↑ Stephan Kallee: Aluminothermie - raitiovaunukiskojen aluminoterminen hitsaus.
7. ↑ Hans Goldschmidt: alumiini-lämpö ja rautateiden hitsaus. Tiivistelmä luennosta Columbian yliopiston kemiallisessa seurassa 13. marraskuuta 1903.
8. ^ Paulinenaue tieteen sijaintipaikkana . Julkaisussa: Paulinenaue. Haettu 18. joulukuuta 2019 (saksa). 
9. ↑ Daniel Liebthal: Rail hitsaus täydellisyyttä . Julkaisussa: Rautatieinsinööri . nauha 71 , ei. 3. maaliskuuta 2020, ISSN  0013-2810 , s. 39-42 . 
10. ↑ Johannes Braun, Jörg Keichel ja Andreas Peters: Aluminoterminen hitsaus: Perinne ja innovaatio jatkuvasti hitsatulla radalla (Aluminothermic-hitsaus: perinne ja innovaatio jatkuvasti hitsatulla radalla). Julkaisussa: Infrastruktuuriverkko ZEVrail, nro 139, 10. lokakuuta 2015, s.382–389.
11. ^ Verkkosivusto Gleisbau-Welt (muisto 18. maaliskuuta 2004 Internet-arkistossa), hitsausprosessi, Matthias Müller, Thorsten Schaeffer, 2003–2012, käyty 20. huhtikuuta 2019.
12. ↑ Lothar Fendrich (Toim.): Handbuch Eisenbahninf Infrastruktur [ rautatieinfrastruktuuri ] . Osa 10, Springer Berlin 2006, ISBN 3-540-29581-X , s.317-319.
13. ↑ Berliinin edustajainhuone: Claudia Hämmerlingin (Bündnis 90 / Die Grünen) pieni kysymys 19. marraskuuta 2010 ja vastaus Paljon mietintöä Karower Kreuzin mistä tahansa ja kuinka turvallinen on Szczecinin rautatie? (Painotuotteet 16/14 932).
14. ↑ Stephan Kallee: Thermit käytännössä - aluminotermisen hitsauksen ensimmäiset sovellukset Yhdysvalloissa vuoteen 1905 saakka.
15. ↑ Ernest Stütz: Thermit-prosessi amerikkalaisessa käytännössä. Esitetty American Society for Testing Materialsin kesäkuussa 1905 julkaisemassa julkaisussa: The Iron and Steel Magazine, syyskuu 1905, s.221--221.
16. ↑ Patentti US 5092921 . ‌
17. ↑ Patentti US 5152830 . ‌
18. ↑ Koe 69: Thermit-menetelmä. päällä: lp.uni-goettingen.de .
19. ↑ Landesoberbergamt NRW: n kiertomääräys nro 18.23.2-5-16, päivätty 16. kesäkuuta 1984.
20. ↑ Käyttöturvallisuuden tekniset määräykset, TRBS 2152, osa 3. Vaarallinen räjähdyskelpoinen ympäristö - Vaarallisen räjähdyskelpoisen ilmapiirin syttymisen välttäminen.

nettilinkit

• Animaatio: Thermit-hitsausprosessi