Θερμίτης

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
Ένα μείγμα θερμίτη που χρησιμοποιεί οξείδιο του σιδήρου (III)

Ο θερμίτης είναι μια πυροτεχνική σύνθεση από μεταλλική σκόνη, καύσιμο και οξείδιο μετάλλου. Όταν αναφλέγεται από τη θερμότητα, ο θερμίτης υφίσταται μια εξώθερμη αντίδραση οξειδοαναγωγής. Οι περισσότερες συνθέσεις δεν είναι εκρηκτικές, αλλά μπορούν να δημιουργήσουν σύντομες εκρήξεις υψηλής θερμοκρασίας σε μικρή επιφάνεια. Η μορφή της αντίδρασης είναι παρόμοια με αυτή άλλων μειγμάτων καυσίμου-οξειδωτικού, όπως η μαύρη πυρίτιδα.

Οι θερμίτες έχουν ποικίλες συνθέσεις. Τα καύσιμα περιέχουν αργίλιο, μαγνήσιο, τιτάνιο, ψευδάργυρο, πυρίτιο και βόριο. Το αργίλιο είναι συνηθισμένο λόγω του υψηλού του σημείου βρασμού και του χαμηλού του κόστους. Τα οξειδωτικά συμπεριλαμβάνουν το οξείδιο του βορίου (ΙΙΙ), το διοξείδιο του πυριτίου, το οξείδιο του χρωμίου (III), το οξείδιο του μαγνησίου (IV), το οξείδιο του σιδήρου (III), το επιτεταρτοξείδιο του σιδήρου, το οξείδιο του χαλκού(II) και το οξείδιο του μολύβδου (II,IV).[1]

Η αντίδραση χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση του θερμίτη καθώς και για την ένωση των σιδηροτροχιών. Οι θερμίτες χρησιμοποιούνται επίσης στην μεταλλουργία, στην καταστροφή πυρομαχικών και σε εμπρηστικά όπλα. Μερικά μείγματα παρόμοια με τον θερμίτη χρησιμοποιούνται ως πυροτεχνικοί εκκινητές σε πυροτεχνήματα.

Χημικές αντιδράσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια αντίδραση θερμίτη με τη χρήση οξειδίου του σιδήρου(III). Οι σπίθες που πηδούν προς τα έξω είναι σφαιρίδια λιωμένου σιδήρου.

Στο παρακάτω παράδειγμα, το στοιχειακό αργίλιο ανάγει το οξείδιο ενός άλλου μετάλλου, σε αυτό το κοινό παράδειγμα το οξείδιο του σιδήρου, επειδή το αργίλιο σχηματίζει πιο ισχυρούς, πιο σταθερούς, δεσμούς με το οξυγόνο παρά με το σίδηρο:

Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

Τα προϊόντα είναι οξείδιο του αργιλίου, στοιχειακός σίδηρος,[2] και μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Τα αντιδρώντα είναι συνήθως σε σκόνη και αναμειγμένα με συνδετικό υλικό για να διατηρήσει το υλικό στερεό και να αποτρέψει τον διαχωρισμό.

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν άλλα οξείδια των μετάλλων, όπως το οξείδιο του χρωμίου, για να παραγάγουν το δεδομένο μέταλλο στη στοιχειακή του μορφή. Παραδείγματος χάρη, μια αντίδραση θερμίτη χαλκού χρησιμοποιώντας οξείδιο του χαλκού και στοιχειακό αργίλιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρικών συνδέσμων σε μια διεργασία που λέγεται συγκόλληση Καντγουέλ (cadwelding) που παράγει στοιχειακό χαλκό (μπορεί να αντιδράσει βίαια):

3 CuO + 2 Al → 3 Cu + Al2O3

Οι θερμίτες με μεγέθη σωματιδίων νανομέτρου περιγράφονται με πολλούς όρους, όπως μετασταθείς διαμοριακές συνθέσεις, υπερθερμίτες,[3] νανοθερμίτες,[4] και ενεργά υλικά νανοσυνθέσεων.[5][6]

Ιστορικό[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η αντίδραση θερμίτη ανακαλύφθηκε το 1893 και κατοχυρώθηκε το 1895 από τον Γερμανό χημικό Χανς Γκολντσμίντ (Hans Goldschmidt).[7] Ως συνέπεια, λέγεται και "αντίδραση ή διεργασία Γκόλντσμιντ". Ο Γκόλντσμιντ αρχικά ενδιαφερόταν να παραγάγει πολύ καθαρά μέταλλα αποφεύγοντας τη χρήση άνθρακα για την εξαγωγή μετάλλου από ορυκτό με τήξη, αλλά σύντομα ανακάλυψε την αξία του θερμίτη στη συγκόλληση.[8]

Η πρώτη εμπορική εφαρμογή του θερμίτη ήταν η συγκόλληση των γραμμών του τραμ στο Έσσεν το 1899.[9]

Τύποι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια αντίδραση θερμίτη που λαμβάνει χώρα σε τηγάνι από χυτοσίδηρο

Το κόκκινο οξείδιο του σιδήρου(III) (Fe2O3, συνήθως γνωστό ως σκουριά) είναι το πιο συνηθισμένο οξείδιο του σιδήρου που χρησιμοποιείται στον θερμίτη.[10][11][12] Ο μαγνητίτης μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί.[13] Άλλα οξείδια χρησιμοποιούνται ευκαιριακά, όπως το MnO2 στον θερμίτη μαγγανίου, Cr2O3 στον θερμίτη χρωμίου, χαλαζίας στον θερμίτη πυριτίου, ή οξείδιο του χαλκού(II) στον θερμίτη χαλκού, αλλά μόνο για εξειδικευμένους σκοπούς.[13] Όλα αυτά τα παραδείγματα χρησιμοποιούν το αργίλιο ως το αντιδρόν μέταλλο. Φθοροπολυμερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ειδικές συνθέσεις, τεφλόν με μαγνήσιο ή αργίλιο είναι ένα σχετικά κοινό παράδειγμα.

Γενικά, οποιοδήποτε δραστικό μέταλλο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί αντί για το αργίλιο. Αυτό συμβαίνει σπάνια, επειδή οι αντιδράσεις του αργιλίου είναι σχεδόν ιδανικές για αυτήν την αντίδραση:

  • Είναι μακράν το πιο φθηνό από τα πολύ δραστικά μέταλλα. Παραδείγματος χάρη, τον Δεκέμβριο του 2014, ο κασσίτερος κόστιζε 19.830 USD/μετρικό τόνο, ο ψευδάργυρος 2.180 USD/μετρικό τόνο και το αργίλιο 1.910 USD/μετρικό τόνο[14]
  • Σχηματίζει μια παθητική στρώση, κάνοντας πιο ασφαλή τον χειρισμό από πολλά άλλα δραστικά μέταλλα.[15]
  • Το σχετικά χαμηλό του σημείο τήξης (660 °C) σημαίνει ότι μπορεί εύκολα να λιώσει το μέταλλο, έτσι ώστε η αντίδραση να μπορεί να συμβεί κυρίως στην υγρή φάση και συνεπώς να προχωρήσει αρκετά γρήγορα.
  • Το υψηλό σημείο βρασμού (2519 °C) επιτρέπει στην αντίδραση να φτάσει πολύ υψηλές θερμοκρασίες, επειδή αρκετές διεργασίες τείνουν να περιορίσουν τη μέγιστη θερμοκρασία ακριβώς κάτω από το σημείο βρασμού. Ένα τέτοιο υψηλό σημείο βρασμού είναι σύνηθες μεταξύ των μετάλλων μετάπτωσης (π.χ., ο σίδηρος και ο χαλκός βράζουν στους 2887 °C και 2582 °C αντίστοιχα), αλλά είναι ιδιαίτερα ασυνήθιστο μεταξύ των πολύ δραστικών μετάλλων (συγκρίνετε το μαγνήσιο και το νάτριο που βράζουν στους 1090 °C και 883 °C αντίστοιχα).
  • Επιπλέον, η χαμηλή πυκνότητα του σχηματιζόμενου οξειδίου του αργιλίου ως προϊόντος της αντίδρασης τείνει να προκαλέσει την επίπλευση του στο τελικό καθαρό μέταλλο. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στη μείωση της μόλυνσης σε μια συγκόλληση.

Αν και τα αντιδρώντα είναι σταθερά σε θερμοκρασία δωματίου, καίγονται με μια ακραία έντασης εξώθερμη αντίδραση όταν θερμαίνονται στη θερμοκρασία ανάφλεξης. Τα προϊόντα προκύπτουν ως υγρά λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που λαμβάνουν χώρα (μέχρι 2500 °C με οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου—αν και η ενεργή επιτυγχανόμενη θερμοκρασία εξαρτάται από το πόσο γρήγορα μπορεί να διαφύγει η θερμότητα στο περιβάλλον. Ο θερμίτης περιέχει την δική του τροφοδοσία οξυγόνου και δεν χρειάζεται καμία εξωτερική πηγή αέρα. Συνεπώς, δεν μπορεί να περιοριστεί και μπορεί να αναφλεγεί σε οποιοδήποτε περιβάλλον, που δίνει επαρκή αρχική θερμότητα. Θα καεί καλώς όσο είναι υγρός και δεν μπορεί να σβηστεί εύκολα με νερό, αν και αρκετό νερό θα αφαιρέσει θερμότητα και μπορεί να σταματήσει την αντίδραση.[16] Μικρές ποσότητες νερού θα βράσουν πριν να φτάσουν στην αντίδραση. Ακόμα κι έτσι, ο θερμίτης χρησιμοποιείται για υποβρύχια συγκόλληση.[17]

Οι θερμίτες χαρακτηρίζονται από σχεδόν πλήρη απουσία παραγωγής αερίου κατά την καύση, υψηλή θερμοκρασία αντίδρασης και παραγωγή λιωμένων σκουριών (slag). Το καύσιμο πρέπει να έχει υψηλή θερμότητα καύσης και να παράγει οξείδια με χαμηλό σημείο τήξης και υψηλό σημείο βρασμού. Το οξειδωτικό πρέπει να περιέχει τουλάχιστον 25% οξυγόνο, να έχει υψηλή πυκνότητα, χαμηλή θερμότητα σχηματισμού και να παράγει μέταλλο με χαμηλό σημείο τήξης και υψηλό σημείο ζέσης (έτσι ώστε η απελευθερούμενη ενέργεια να μην καταναλώνεται στην εξάτμιση των προϊόντων της αντίδρασης). Οργανικά συνδετικά υλικά μπορούν να προστεθούν στη σύνθεση για να βελτιώσουν τις μηχανικές του ιδιότητες, όμως τείνουν να παραγάγουν προϊόντα ενδόθερμης αποσύνθεσης, προκαλώντας κάποια απώλεια στη θερμότητα της αντίδρασης και παραγωγή αερίων.[18]

Η επιτυγχανόμενη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της αντίδρασης καθορίζει το αποτέλεσμα. Στην ιδανική περίπτωση, η αντίδραση παράγει ένα καλά διαχωρισμένο τήγμα μετάλλου και σκουριών. Για αυτόν τον λόγο, η θερμοκρασία πρέπει να είναι αρκετά υψηλή για να τήξει τα προϊόντα της αντίδρασης, το τελικό μέταλλο και το οξείδιο του καυσίμου. Υπερβολικά χαμηλή θερμοκρασία θα καταλήξει σε ένα μείγμα από πεφρυγμένο μέταλλο και σκουριές, ενώ υπερβολικά υψηλή θερμοκρασία – πάνω από το σημείο βρασμού οποιουδήποτε αντιδρώντος ή προϊόντος – θα οδηγήσει σε γρήγορη παραγωγή αερίου, διασκορπίζοντας το μείγμα της αντίδρασης καύσης, με αποτελέσματα, κάποιες φορές, παρόμοια με έκρηξη χαμηλής απόδοσης. Σε παρασκευές με σκοπό την παραγωγή μετάλλου με αργιλιοθερμική αντίδραση (aluminothermic reaction), αυτά τα αποτελέσματα μπορεί εξουδετερωθούν. Υπερβολικά χαμηλή θερμοκρασία αντίδρασης (π.χ. κατά την παραγωγή πυριτίου από άμμο) μπορεί να ενισχυθεί με την προσθήκη κατάλληλου οξειδωτικού (π.χ. θείο σε αργίλιο-θείο-άμμο), υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να μειωθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλο ψυκτικό και/ή σκουριές σύντηξης. Το σύντηκτο που χρησιμοποιείται συχνά σε ερασιτεχνικές συνθέσεις είναι το το φθοριούχο ασβέστιο, επειδή αντιδρά μόνο ελάχιστα, έχει σχετικά χαμηλό σημείο τήξης, χαμηλό ιξώδες τήγματος σε υψηλές θερμοκρασίες (συνεπώς αυξημένη ρευστότητα των σκουριών) και σχηματίζει ένα ευτηκτικό κράμα με την αλουμίνα. Υπερβολικό όμως σύντηκτο αραιώνει τα αντιδραστήρια σε σημείο που να μην μπορεί να διατηρήσει την καύση. Ο τύπος του οξειδίου του μετάλλου έχει επίσης δραματική επίδραση στην ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας. Ένα καλό παράδειγμα είναι η διαφορά μεταξύ τετρασθενούς και δισθενούς οξειδίου του μαγνησίου, όπου το πρώτο παράγει υπερβολικά υψηλή θερμοκρασία και το δεύτερο μόλις και μετά βίας μπορεί να διατηρήσει την καύση· για την επίτευξη καλών αποτελεσμάτων πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα μείγμα με κατάλληλη αναλογία των δύο οξειδίων.[19]

Ο ρυθμός της αντίδρασης μπορεί επίσης να ρυθμιστεί με τα μεγέθη των σωματιδίων· πιο αδρά σωματίδια καίγονται πιο αργά από λεπτά σωματίδια. Το αποτέλεσμα είναι πιο έντονο με σωματίδια που χρειάζεται να θερμανθούν σε υψηλότερη θερμοκρασία για να ξεκινήσει η αντίδραση. Αυτό το αποτέλεσμα ωθείται στα άκρα με τους νανοθερμίτες.

Η επιτυγχανόμενη θερμοκρασία στην αντίδραση σε αδιαβατικές συνθήκες, όταν δεν υπάρχει απώλεια θερμότητας στο περιβάλλον, μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον νόμο του Χες (Hess's law) – υπολογίζοντας την παραγόμενη ενέργεια από την ίδια την αντίδραση (αφαιρώντας την ενθαλπία των αντιδρώντων από την ενθαλπία των προϊόντων) και με αφαίρεση της καταναλισκόμενης ενέργειας για θέρμανση των προϊόντων (από την ειδική τους θερμότητα, όταν τα υλικά αλλάζουν μόνο τη θερμοκρασία τους και την ενθαλπία τήξης τους και ενδεχομένως την ενθαλπία εξάτμισης (enthalpy of vaporization), όταν τα υλικά τήκονται ή βράζουν). Σε πραγματικές συνθήκες, η αντίδραση χάνει θερμότητα προς το περιβάλλον, οπότε η επιτυγχανόμενη θερμοκρασία είναι κάπως χαμηλότερη. Ο ρυθμός μεταφοράς της θερμότητας είναι πεπερασμένος, έτσι όσο πιο γρήγορη είναι η αντίδραση, τόσο πιο κοντά προς τις αδιαβατικές συνθήκες και τόσο πιο ψηλή η επιτυγχανόμενη θερμοκρασία.[20]

Θερμίτης σιδήρου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η πιο συνηθισμένη σύνθεση είναι ο θερμίτης σιδήρου. Το χρησιμοποιούμενο οξειδωτικό είναι συνήθως είτε το οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου, είτε το οξείδιο δισθενούς και τρισθενούς σιδήρου. Το οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου παράγει περισσότερη θερμότητα. Το οξείδιο δισθενούς και τρισθενούς σιδήρου είναι πιο εύκολο στην ανάφλεξη, πιθανόν λόγω της κρυσταλλικής δομής του. Η προσθήκη οξειδίων του χαλκού και του μαγγανίου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ευκολία ανάφλεξης.

Το αρχικό μείγμα, όπως ανακαλύφθηκε, χρησιμοποιούσε οξείδιο του σιδήρου σε λειοτριβημένη μορφή. Η σύνθεση ήταν πολύ δύσκολη στην ανάφλεξη.[18]

Θερμίτης χαλκού[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο θερμίτης χαλκού μπορεί να παρασκευαστεί χρησιμοποιώντας είτε οξείδιο του μονοσθενούς χαλκού (Cu2O, κόκκινο), είτε οξείδιο του δισθενούς χαλκού (CuO, μαύρο). Ο ρυθμός καύσης τείνει να είναι πολύ γρήγορος και το σημείο τήξης του χαλκού είναι σχετικά χαμηλό, έτσι η αντίδραση παράγει σημαντική ποσότητα τετηγμένου χαλκού σε πολύ σύντομο χρόνο. Οι αντιδράσεις θερμίτη του δισθενούς χαλκού μπορεί να είναι τόσο γρήγορες που ο θερμίτης του χαλκού μπορεί να θεωρηθεί ως τύπος ακαριαίας σκόνης (flash powder). Μπορεί να συμβεί έκρηξη και να εκτοξευτούν σταγονίδια χαλκού σε σημαντική απόσταση.[21]

Ο θερμίτης του μονοσθενούς χαλκού έχει βιομηχανικές χρήσεις π.χ. στη συγκόλληση χονδρών αγωγών χαλκού ("συγκόλληση Κάντγουελ"). Αυτό το είδος συγκόλλησης είναι κατάλληλο για την σύνδεση καλωδίων στο ναυτικό, για χρήση σε συστήματα με υψηλά ρεύματα, π.χ. στην ηλεκτρική προώθηση.[22]

Θερμάτες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η σύσταση του θερμάτη (Thermate) είναι η σύσταση του θερμίτη εμπλουτισμένη με οξειδωτικό με βάση άλας (συνήθως νιτρικά, π.χ. νιτρικό βάριο, ή υπεροξείδιο). Αντίθετα από τους θερμίτες, οι θερμάτες καίγονται με παραγωγή φλόγας και αερίων. Η παρουσία του οξειδωτικού κάνει πιο εύκολη την ανάμειξη του μείγματος και βελτιώνει τη διείσδυση, επειδή το αέριο προβάλλει τη λιωμένη σκουριά και παρέχει μηχανική ανακίνηση. [18] Αυτός ο μηχανισμός κάνει τον θερμάτη πιο κατάλληλο από τον θερμίτη για εμπρηστικούς σκοπούς και επείγουσα καταστροφή ευαίσθητου εξοπλισμού (π.χ. κρυπτογραφικών συσκευών), επειδή το αποτέλεσμα του θερμίτη είναι πιο εντοπισμένο.

Ανάφλεξη[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια αντίδραση θερμίτη χρησιμοποιώντας τρισθενές οξείδιο του σιδήρου.

Τα μέταλλα μπορούν να καούν κάτω από σωστές συνθήκες, παρόμοια με τη διεργασία καύσης του ξύλου ή της βενζίνης. Στην πραγματικότητα, η σκουριά είναι το αποτέλεσμα της οξείδωσης του χάλυβα ή του σιδήρου με πολύ αργούς ρυθμούς. Μια αντίδραση θερμίτη είναι μια διεργασία στην οποία συνδυάζεται και αναφλέγεται το σωστό μείγμα μεταλλικών καυσίμων. Η ίδια η ανάφλεξη απαιτεί πολύ υψηλές θερμοκρασίες.

Η ανάφλεξη μιας αντίδρασης θερμίτη απαιτεί κανονικά έναν σπινθήρα ή μια εύκολα αποκτήσιμη ταινία μαγνησίου, αλλά μπορεί να χρειάζεται επίπονες προσπάθειες, επειδή η ανάφλεξη μπορεί να είναι αναξιόπιστη και απρόβλεπτη. Αυτές οι θερμοκρασίες δεν μπορούν να επιτευχθούν με συμβατικούς πυροσωλήνες πυρίτιδας, ράβδους νιτροκυτταρίνης, πυροκροτητές, πυροτεχνικούς εκκινητές (pyrotechnic initiators), ή άλλες συνηθισμένες ουσίες ανάφλεξης.[13] Ακόμα κι όταν ο θερμίτης είναι αρκετά θερμός ώστε να ακτινοβολεί έντονο κόκκινα, δεν θα αναφλέξει επειδή πρέπει να είναι λευκοπυρωμένος ή κοντά σε αυτό το σημείο.[εκκρεμεί παραπομπή] Η εκκίνηση της αντίδρασης είναι δυνατή χρησιμοποιώντας καμινέτο προπανίου (propane torch) αν γίνει σωστά.[23]

Συχνά, ταινίες από μέταλλο μαγνησίου χρησιμοποιούνται ως πυροκροτητές. Επειδή τα μέταλλα καίγονται χωρίς να απελευθερώνουν ψυκτικά αέρια, μπορούν δυνητικά να καούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Δραστικά μέταλλα όπως το μαγνήσιο μπορούν εύκολα να φτάσουν θερμοκρασίες αρκετά υψηλές για την ανάφλεξη του θερμίτη. Η ανάφλεξη με μαγνήσιο παραμένει δημοφιλής μεταξύ των ερασιτεχνών χρηστών του θερμίτη, κυρίως επειδή να ληφθεί εύκολα.[13]

Η αντίδραση μεταξύ υπερμαγγανικού καλίου και γλυκερίνης ή αιθυλενογλυκόλης χρησιμοποιείται ως εναλλακτική μέθοδος ως προς το μαγνήσιο. Όταν αυτές οι δύο ουσίες αναμειγνύονται, ξεκινά μια αυθόρμητη αντίδραση, που αυξάνει αργά τη θερμοκρασία του μείγματος μέχρι να παραχθούν φλόγες. Η εκλυόμενη θερμότητα από την οξείδωση της γλυκερίνης είναι αρκετή για να ξεκινήσει μια αντίδραση θερμίτη.[13]

Εκτός από την ανάφλεξη με μαγνήσιο, μερικοί ερασιτέχνες επιλέγουν επίσης τη χρήση σπινθήρων για την ανάφλεξη του μείγματος του θερμίτη.[24] Αυτοί φθάνουν τις απαραίτητες θερμοκρασίες και παρέχουν αρκετό χρόνο πριν το σημείο καύσης φτάσει το δείγμα.[25] Αυτό μπορεί να είναι επικίνδυνο, επειδή οι σπινθήρες σιδήρου, όπως οι ταινίες μαγνησίου, καίγονται σε θερμοκρασία χιλιάδων βαθμών και μπορούν να αναφλέξουν τον θερμίτη ακόμα κι όταν ο ίδιος ο σπινθήρας δεν είναι σε επαφή μαζί του. Αυτό είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο με λεπτά διαμερισμένες σκόνες θερμίτη.

Παρομοίως, λεπτά διαμερισμένος θερμίτης μπορεί να αναφλεγεί με αναπτήρα με τσακμάκι, επειδή οι σπινθήρες είναι καιόμενα μέταλλα (σε αυτήν την περίπτωση, οι πολύ δραστικές σπάνιες γαίες λανθάνιο και δημήτριο).[26] Συνεπώς είναι επισφαλές το άναμμα ενός αναπτήρα κοντά στον θερμίτη.

Μη στρατιωτικές χρήσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Αντίδραση θερμίτη που λαμβάνει χώρα για συγκόλληση σιδηροδρομικής γραμμής. Σύντομα μετά από αυτήν, ο υγρός σίδηρος ρέει στη μήτρα γύρω από το κενό της γραμμής.
Υπολείμματα από κεραμικές μήτρες για τη συγκόλληση θερμίτη όπως αυτές της εικόνας, μπορούν να βρεθούν στις γραμμές.

Οι αντιδράσεις του θερμίτη έχουν πολλές χρήσεις. Ο θερμίτης δεν είναι εκρηκτικό· αντίθετα λειτουργεί εκθέτοντας μια πολύ μικρή επιφάνεια του μετάλλου σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Η έντονη θερμότητα που εστιάζεται σε μια μικρή επιφάνεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κοπή ή τη συγκόλληση μεταλλικών υλικών και με την τήξη του μετάλλου από τα υλικά και με την έγχυση τετηγμένου μετάλλου από την ίδια την αντίδραση του θερμίτη.

Ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επισκευή με την επιτόπια συγκόλληση χονδρών χαλύβδινων τμημάτων όπως πλαίσια αξόνων μηχανών τρένου, όπου η επισκευή μπορεί να λάβει χώρα χωρίς την αφαίρεση του τμήματος από την εγκατεστημένη του θέση.[εκκρεμεί παραπομπή]

Ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γρήγορη κοπή ή συγκόλληση χάλυβα όπως στις σιδηροδρομικές γραμμές, χωρίς να απαιτείται σύνθετος ή βαρύς εξοπλισμός.[27][28] Όμως, ελαττώματα όπως εγκλίσεις σκουριών και κενά (τρύπες) εμφανίζονται συχνά σε τέτοιες ενώσεις με συγκόλληση και απαιτείται μεγάλη προσοχή για τη σωστή εκτέλεση της εργασίας. Πρέπει επίσης να ληφθεί φροντίδα για να εξασφαλιστεί ότι οι γραμμές παραμένουν ευθείες, χωρίς να καταλήγουν σε βυθισμένες ενώσεις, που μπορούν να προκαλέσουν φθορά σε υψηλές ταχύτητες και μεγάλα βάρη στους άξονες.[29]

Μια αντίδραση θερμίτη, όταν χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό μεταλλευμάτων μερικών μετάλλων λέγεται αργιλιοθερμική αντίδραση. Μια τροποποίηση της αντίδρασης, χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη καθαρού ουρανίου, η οποία αναπτύχθηκε ως τμήμα του Προγράμματος Μανχάταν για την κατασκευή πυρηνικής βόμβας.[30]

Ο θερμίτης χαλκού χρησιμοποιείται για να συγκολληθούν μαζί χονδρά σύρματα χαλκού για τις ηλεκτρικές συνδέσεις. Χρησιμοποιείται εκτεταμένα από ηλεκτρικές και τηλεπικοινωνιακές βιομηχανίες.

Στρατιωτικές χρήσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι χειροβομβίδες θερμίτη χρησιμοποιούνται συνήθως από ένοπλες δυνάμεις σε ρόλο απενεργοποίησης ή μερικής καταστροφής εξοπλισμού. Η χρήση του για μερική καταστροφή υλικού είναι συνηθισμένη όταν δεν υπάρχει διαθέσιμος χρόνος για πιο ασφαλή ή πιο αποτελεσματική μέθοδο.[31][32] Παραδείγματος χάρη, ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επείγουσα καταστροφή κρυπτογραφικού εξοπλισμού όταν υπάρχει ο κίνδυνος σύλληψης από εχθρικά στρατεύματα. Επειδή ο τυπικός θερμίτης σιδήρου είναι δύσκολο να αναφλεγεί και καίγεται πρακτικά χωρίς φλόγα και με μικρή ακτίνα δράσης, ο τυπικός θερμίτης χρησιμοποιείται σπάνια μόνος του ως εμπρηστική σύνθεση. Χρησιμοποιείται συνήθως με άλλα υλικά που προστίθενται για να αυξήσουν τα εμπρηστικά του αποτελέσματα. Ο θερμάτης-ΤΗ3 (Thermate-TH3) είναι ένα μείγμα θερμίτη και πυροτεχνικών προσθέτων που έχει βρεθεί ότι είναι καλύτερος από τον τυπικό θερμίτη για εμπρηστικούς σκοπούς.[33] Η σύστασή του είναι γενικά περίπου 68,7% θερμίτης, 29,0% νιτρικό βάριο, 2,0% θείοr και 0,3% ενός συνδετικού υλικού (όπως το πολυβουταδιένιο-ακρυλονιτρίλιο (PBAN).[33] Η προσθήκη του νιτρικού βαρίου στον θερμίτη αυξάνει το θερμικό του αποτέλεσμα, παράγει μια πιο μεγάλη φλόγα και μειώνει σημαντικά τη θερμοκρασία ανάφλεξης.[33] Αν και ο κύριος σκοπός του θερμάτη-ΤΗ3 στις ένοπλες δυνάμεις είναι ως εμπρηστικό όπλο κατά εξοπλισμού, έχει επίσης χρήσεις στη συγκόλληση μαζί με μεταλλικά υλικά.

Μια κλασική στρατιωτική χρήση του θερμίτη είναι η απενεργοποίηση τμημάτων πυροβολικού και χρησιμοποιείται για αυτόν τον σκοπό από τον Β΄παγκόσμιο πόλεμο, όπως στη Νορμανδία.[34] Ο θερμίτης μπορεί να απενεργοποιήσει μονίμως τμήματα κανονιού χωρίς τη χρήση εκρηκτικών και συνεπώς ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν είναι απαραίτητη η σιγή σε μια επιχείρηση. Αυτό μπορεί να γίνει εισάγοντας μια ή περισσότερες οπλισμένες χειροβομβίδες θερμίτη στο πυγαίο του όπλου και κλείνοντας το έπειτα γρήγορα· αυτό συγκολλά το κλείστρο του πυγαίου και κάνει αδύνατη τη φόρτωση του όπλου.[35] Εναλλακτικά, μια αφοπλισμένη χειροβομβίδα θερμίτη μες τη κάννη του κανονιού θα μπλοκάρει την κάννη, κάνοντας το κανόνι πολύ επικίνδυνο στη χρήση του· ο θερμίτης μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να συγκολλήσει τον μηχανισμό παλινδρόμησης και ανύψωσης του κανονιού, κάνοντας αδύνατη τη σωστή στόχευση.[εκκρεμεί παραπομπή]

Ο θερμίτης χρησιμοποιήθηκε από τους εμπόλεμους για εμπρηστικές βόμβες (incendiary bombs) κατά τη διάρκεια του Β΄ παγκοσμίου πολέμου.[36][37] Οι εμπρηστικές βόμβες αποτελούνται συνήθως από δεκάδες λεπτά βλήματα γεμάτα με θερμίτη (βομβίδια) που αναφλέγονται με μαγνήσιο. Οι εμπρηστικές βόμβες δημιουργούν τεράστιες ζημιές σε πολλές πόλεις λόγω των πυρκαγιών που ξεκινούν με τον θερμίτη. Οι πόλεις που αποτελούνται κυρίως από ξύλινα κτίρια είναι ιδιαίτερα ευπαθείς. Αυτές οι εμπρηστικές βόμβες χρησιμοποιήθηκαν κυρίως στον βομβαρδισμό του Τόκιο κατά τη διάρκεια νυχτερινών αεροπορικών επιδρομών. Σκοπευτικά όργανα δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν τη νύχτα, δημιουργώντας την ανάγκη για χρήση εξοπλισμού που μπορούσε να καταστρέψει στόχους χωρίς την ανάγκη ακριβούς τοποθέτησης.

Κίνδυνοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα βίαια αποτελέσματα του θερμίτη

Η χρήση του θερμίτη είναι επικίνδυνη λόγω των εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών που παράγονται και της πολύ μεγάλης δυσκολίας άμβλυνσης της αντίδρασης όταν ξεκινήσει. Μικρές ροές λιωμένου απελευθερούμενου σιδήρου στην αντίδραση μπορούν να διανύσουν σημαντικές αποστάσεις ναι μπορούν να λιώσουν μεταλλικά δοχεία, αναφλέγοντας τα περιεχόμενά τους. Επιπλέον, εύφλεκτα μέταλλα με σχετικά χαμηλά σημεία βρασμού όπως ο ψευδάργυρος (με σημείο ζέσης 907 °C, που είναι περίπου 1.370 °C κάτω από τη θερμοκρασία στην οποία καίγεται ο θερμίτης) μπορούν, δυνητικά, να ψεκάσουν υπέρθερμα μέταλλα που βράζουν βίαια στον αέρα αν είναι κοντά σε μια αντίδραση θερμίτη.[εκκρεμεί παραπομπή]

Αν, για κάποιο λόγο, ο θερμίτης έχει μολυνθεί με οργανικές ουσίες, ένυδρα οξείδια και άλλες ενώσεις που μπορούν να παραγάγουν αέρια κατά τη θέρμανση ή την αντίδραση με συστατικά του θερμίτη, τα προϊόντα της αντίδρασης μπορούν να ψεκαστούν. Επιπλέον, αν το μείγμα του θερμίτη περιέχει αρκετούς κενούς χώρους με αέρα και καεί αρκετά γρήγορα, ο υπέρθερμος αέρας μπορεί επίσης να προκαλέσει τον ψεκασμό του μείγματος. Για τον λόγο αυτό είναι προτιμότερη η χρήση σχετικά αδρών κόνεων, έτσι ώστε να μετριαστεί ο ρυθμός της αντίδρασης και τα καυτά αέρια να μπορούν να διαφύγουν από τη ζώνη της αντίδρασης.

Η προθέρμανση του θερμίτη πριν την ανάφλεξη μπορεί να γίνει εύκολα κατά τύχη, π.χ. προσθέτοντας μια νέα στρώση θερμίτη πάνω από μια καυτή, πρόσφατα αναφλεγείσα στρώση σκωρία θερμίτη. Όταν αναφλεγεί, ο προθερμασμένος θερμίτης μπορεί να αναφλεγεί σχεδόν ακαριαία, απελευθερώνοντας φως και θερμότητα με πολύ υψηλότερο ρυθμό από ότι κανονικά, προκαλώντας εγκαύματα και βλάβη στα μάτια σε αποστάσεις πέρα από αυτές που κανονικά θα ήταν ασφαλείς.[εκκρεμεί παραπομπή]

Η αντίδραση του θερμίτη μπορεί να λάβει χώρα τυχαία σε βιομηχανικές περιοχές όπου χρησιμοποιούνται λειαντικοί τροχοί με σιδηρούχα μεταλλεύματα. Η χρήση αργιλίου σε αυτήν την περίπτωση παράγει ένα μείγμα από οξείδια που μπορούν να προκαλέσουν μια βίαιη έκρηξη.[38]

Η ανάμειξη νερού με τον θερμίτη ή η προσθήκη νερού στον καιόμενο θερμίτη μπορεί να προκαλέσει έκρηξη ατμού, με ψεκασμό καυτών κομματιών προς όλες τις κατευθύνσεις.[εκκρεμεί παραπομπή]

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Kosanke, K; Kosanke, B. J; Von Maltitz, I; Sturman, B; Shimizu, T; Wilson, M. A; Kubota, N; Jennings-White, C; Chapman, D (Δεκεμβρίου 2004). Pyrotechnic Chemistry — Google Books. ISBN 978-1-889526-15-7. Ανακτήθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2009. 
  2. «Demo Lab: The Thermite Reaction». Ilpi.com. Ανακτήθηκε στις 11 Οκτωβρίου 2011. 
  3. «Low-Cost Production of Nanostructured Super-Thermites». Navysbir.com. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  4. Foley, Timothy; Pacheco, Adam; Malchi, Jonathan; Yetter, Richard; Higa, Kelvin (2007). «Development of Nanothermite Composites with Variable Electrostatic Discharge Ignition Thresholds». Propellants, Explosives, Pyrotechnics 32 (6): 431. doi:10.1002/prep.200700273. 
  5. «Reaction Kinetics and Thermodynamics of Nanothermite Propellants». Ci.confex.com. Ανακτήθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2009. 
  6. Apperson, S.; Shende, R. V.; Subramanian, S.; Tappmeyer, D.; Gangopadhyay, S.; Chen, Z.; Gangopadhyay, K.; Redner, P. και άλλοι. (2007). «Generation of fast propagating combustion and shock waves with copper oxide/aluminum nanothermite composites». Applied Physics Letters 91 (24): 243109. doi:10.1063/1.2787972. Bibcode2007ApPhL..91x3109A. 
  7. H. Goldschmidt, "Verfahren zur Herstellung von Metallen oder Metalloiden oder Legierungen derselben" (Process for the production of metals or metalloids or alloys of the same), Deutsche Reichs Patent no. 96317 (13 March 1895).
  8. Goldschmidt, Hans; Vautin, Claude (30 June 1898). «Aluminium as a Heating and Reducing Agent». Journal of the Society of Chemical Industry 6 (17): 543–545. http://web.archive.org/web/20110715133307/http://www.pyrobin.com/files/thermit%28e%29%20journal.pdf. Ανακτήθηκε στις 12 October 2011. 
  9. «Goldschmidt-Thermit-Group». Goldschmidt-thermit.com. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 5 Απριλίου 2012. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  10. «Thermite Bombs used to Set Fires». The Milwaukee Journal. 1 Δεκεμβρίου 1939. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  11. «what it Means: Thermite Bombing». the Florence Times. 31 Αυγούστου 1940. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  12. «Hydrogen May Not Have Caused Hindenburg's Fiery End – Page 3 – New York Times». Nytimes.com. 6 May 1997. http://www.nytimes.com/1997/05/06/science/hydrogen-may-not-have-caused-hindenburg-s-fiery-end.html?pagewanted=3. Ανακτήθηκε στις 12 October 2011. 
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 «Thermite». Amazing Rust.com. 7 Φεβρουαρίου 2001. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  14. «Commodity Prices». IndexMundi. Ανακτήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2015. 
  15. Granier, J. J.; Plantier, K. B.; Pantoya, M. L. (2004). «The role of the Al2O3passivation shell surrounding nano-Al particles in the combustion synthesis of NiAl». Journal of Materials Science 39 (21): 6421. doi:10.1023/B:JMSC.0000044879.63364.b3. Bibcode2004JMatS..39.6421G. 
  16. Wohletz, Kenneth (2002). «Journal of Volcanology and Geothermal Research : Water/magma interaction: some theory and experiments on peperite formation». Journal of Volcanology and Geothermal Research 114: 19. doi:10.1016/S0377-0273(01)00280-3. Bibcode2002JVGR..114...19W. 
  17. Sarah Lyall (27 October 2006). «Cameras Catch Speeding Britons and Lots of Grief – New York Times». Great Britain: Nytimes.com. http://www.nytimes.com/2006/10/27/world/europe/27camera.html?pagewanted=2. Ανακτήθηκε στις 12 October 2011. 
  18. 18,0 18,1 18,2 K. Kosanke; B. J. Kosanke; I. von Maltitz (Δεκεμβρίου 2004). Pyrotechnic Chemistry. Journal of Pyrotechnics. σελίδες 126–. ISBN 978-1-889526-15-7. Ανακτήθηκε στις 9 Ιανουαρίου 2012.  Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (βοήθεια)
  19. «Developing your Web presence: Manganese thermite based on manganese (II) oxide». Developing-your-web-presence.blogspot.com. 10 Ιουλίου 2008. Ανακτήθηκε στις 7 Δεκεμβρίου 2011. 
  20. Chiranjib Kumar Gupta (8 Μαΐου 2006). Chemical Metallurgy: Principles and Practice. John Wiley & Sons. σελίδες 387–. ISBN 978-3-527-60525-5. Ανακτήθηκε στις 9 Ιανουαρίου 2012. 
  21. «Thermite». PyroGuide. 3 Μαρτίου 2011. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 6 Απριλίου 2012. Ανακτήθηκε στις 6 Δεκεμβρίου 2011. 
  22. «HTS > News Item». Hts.asminternational.org. 1 Αυγούστου 2011. Ανακτήθηκε στις 6 Δεκεμβρίου 2011. 
  23. «Richard Nakka's Experimental Rocketry Site». Nakka-rocketry.net. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  24. «The World Today – Virgin Blue security scare». Abc.net.au. 23 Σεπτεμβρίου 2004. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  25. Gray, Theodore (19 Αυγούστου 2004). «Making Steel with Beach Sand | Popular Science». Popsci.com. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  26. «Material Safety Data Sheet Lighter Flints Ferro Cerrium» (PDF). shurlite.com. 21 Σεπτεμβρίου 2010. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 24 Αυγούστου 2015. Ανακτήθηκε στις 22 Ιανουαρίου 2012. 
  27. «Papers Past — Star — 15 November 1906 — NEW WELDING PROCESS». Paperspast.natlib.govt.nz. 15 Νοεμβρίου 1906. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  28. «How Many Ways to Weld Metal?». Eugene Register-Guard. 8 Δεκεμβρίου 1987. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  29. «Strengthening the track structure for heavy axle loads: strengthening track infrastructure provides another method of dealing with ever-increasing car capacities. (TTCI R&D). | Goliath Business News». Goliath.ecnext.com. 1 Σεπτεμβρίου 2002. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  30. Πρότυπο:Cite patent
  31. «fm-23-30» (PDF). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 19 Ιανουαρίου 2012. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  32. John Pike (27 Δεκεμβρίου 1988). «AN-M14 TH3 incendiary hand grenade». Globalsecurity.org. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  33. 33,0 33,1 33,2 Πρότυπο:Cite patent
  34. «newsday.com / The Library @ newsday.com». Pqasb.pqarchiver.com. 29 May 1994. http://pqasb.pqarchiver.com/newsday/access/101869797.html?dids=101869797:101869797&FMT=ABS. Ανακτήθηκε στις 12 October 2011. 
  35. Boyle, Hal (26 Νοεμβρίου 1941). «Corporal Tells of Gunning of Yank Prisoners». Ellensburg Daily Record. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  36. Noderer, E R (30 August 1940). «Archives: Chicago Tribune». Pqasb.pqarchiver.com. http://pqasb.pqarchiver.com/chicagotribune/access/466735872.html?dids=466735872:466735872&FMT=ABS&FMTS=ABS:AI. Ανακτήθηκε στις 12 October 2011. 
  37. «Bitter Fighting in Libya». The Indian Express. 25 Νοεμβρίου 1941. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2011. 
  38. «Fireball from Aluminium and Grinding Dust». Hanford.gov. 21 Σεπτεμβρίου 2001. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 25 Νοεμβρίου 2007. Ανακτήθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2009. 

Παραπέρα μελέτη[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • L. L. Wang, Z. A. Munir and Y. M. Maximov (1993). «Thermite reactions: their utilization in the synthesis and processing of materials». Journal of Materials Science 28 (14): 3693–3708. doi:10.1007/BF00353167. Bibcode1993JMatS..28.3693W. 
  • M. Beckert (2002). «Hans Goldschmidt and the aluminothermics». Schweissen und Schneiden 54 (9): 522–526. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]