中文名
鋁熱劑
外國名字
鋁熱劑
外部
粉紅色粉末混合物
app應用
冶煉難熔金屬、替代金屬和焊接金屬。
風險代碼
高度易燃
鋁熱劑是鋁粉和高熔點金屬氧化物(如氧化鐵粉)按比例混合而成。使用時加入氧化劑點燃，反應激烈，得到氧化鋁和單質，並釋放大量熱量。溫度可以達到2500℃左右，可以融化生成的單質。這個反應叫做鋁熱反應。鋁熱反應原理可以應用到生產中，比如焊接鋼軌。使用壹些金屬氧化物(如V2O5、Cr2O3、MnO2等。)代替氧化鐵也可用作鋁熱劑。鋁粉與這些金屬氧化物反應時，產生足夠的熱量，使被還原的金屬在更高的溫度下處於熔融狀態，並與形成的爐渣分離，從而獲得更純的金屬。這種方法常用於工業冶煉難熔金屬，如釩、鉻和錳。它利用鋁氧化時釋放的熱量。有些金屬氧化物不能與鋁反應或放出的熱量很少，不能用作鋁熱劑。
德國化學家漢斯·戈德史密斯在1893年發明了鋁熱法，兩年後申請了專利。[1]因此，這種反應也被稱為“戈德史密斯法”或“戈德史密斯過程”。這項研究的最初目的是在不熔化碳的情況下制備高純度金屬，但歌德·史密斯熱衷於發現鋁熱法可以用於焊接。[2]1899在德國埃森，鋁熱法首次在商業上應用於焊接鐵軌。
燃燒
鋁熱劑反應需要高溫才能引發，可在混合物粉末中插入鎂棒作為導火索(可摻入適量氯酸鉀幫助鎂棒燃燒，也可用高錳酸鉀、硝酸鉀等氧化劑燃燒；過氧化鋇可以，但是煙有毒。高錳酸鉀和甘油的混合物放熱緩慢，也可作為引發劑(高錳酸鉀和葡萄糖的混合物點燃後也能發生劇烈反應，引發鋁熱反應)。丙烷槍也會增加引發反應所需的高溫。反應開始後會劇烈放熱，到處都是火花，溫度極高，點火時要註意安全。
共有物種
氧化鐵/鋁，[3][4][5]磁鐵礦，最常用的鋁熱劑，也起作用。偶爾也使用其他氧化物，如錳鋁熱劑、鉻鋁熱劑、矽鋁熱劑或銅鋁熱劑，但僅用於特殊目的。所有這些例子都使用鋁作為活性金屬。含氟聚合物可用於特殊配方，聚四氟乙烯和鎂或鋁是相對常見的例子。[6]
幹冰和還原劑如鎂、鋁和硼的組合遵循與傳統鋁熱劑混合物相同的化學反應，產生金屬氧化物和碳。盡管幹冰鋁膏混合物的溫度非常低，但該系統可以被火焰點燃。當細分的幹冰鋁熱劑被限制在壹個管子裏，像傳統炸藥壹樣被點燃，就會爆炸，反應中釋放的部分碳會以鉆石的形式出現。
原則上，任何活性金屬都可以用來代替鋁。但是鋁的性質對於這種反應來說幾乎是理想的:
它是迄今為止最便宜的高活性金屬。
它形成壹層鈍化層，比許多其他活性金屬更安全。[7]
它的熔點相對較低(660℃)，這意味著它很容易熔化金屬，因此反應主要發生在液相中，因此進行得相當快。
它的高沸點(2519℃)使得反應達到非常高的溫度，因為幾個過程傾向於將最高溫度限制在沸點以下。這種高沸點在過渡金屬中很常見，但在高活性金屬中並不常見。
此外，由反應形成的氧化鋁的低密度傾向於使其漂浮在獲得的純金屬上。這對於減少焊縫中的汙染尤為重要。
雖然反應物在室溫下是穩定的，但當它們被加熱到點火溫度時，它們會發生極其強烈的放熱反應而燃燒。由於溫度很高(高達2500°C，使用氧化鐵(III )),該產品看起來像液體，盡管實際達到的溫度取決於熱量快速散發到周圍環境的能力。鋁熱劑自帶氧氣供應，不需要任何外部氣源。因此，只要給它足夠的初始熱量，它就不會窒息，在任何環境下都可以被點燃。當潮濕時，它會很好地燃燒，並且不容易被水熄滅，盡管足夠的水將帶走熱量並可能停止反應。少量的水在反應之前會沸騰。即便如此，鋁熱劑也用於水下焊接。[8]
鋁合金的特點是燃燒時幾乎不產生氣體，反應溫度高。燃料應該具有高燃燒熱，並產生低熔點和高沸點的氧化物。氧化劑應含有至少25%的氧，具有高密度、低生成熱，並產生低熔點和高沸點的金屬(因此釋放的能量不會在反應產物的蒸發中消耗)。可以將有機粘合劑加入到組合物中以改善其機械性能，但是，它們傾向於產生吸熱分解產物，導致壹些反應熱損失和氣體產生。[9]
反應過程中達到的溫度決定了結果。理想情況下，反應產生完全分離的金屬和熔渣。為此，溫度必須高到足以熔化反應產物、生成的金屬和燃料氧化物。過低的溫度將導致金屬和爐渣混合物的燒結，過高的溫度(高於任何反應物或產物的沸點)將導致氣體的快速產生、燃燒的反應混合物的分散，有時甚至導致爆炸。過低的反應溫度可以通過添加合適的氧化劑來升高(例如，當從砂中生產矽時)，過高的溫度可以通過使用合適的冷卻劑和/或爐渣流速來降低。常用的熔劑是氟化鈣，因為它只發生最低程度的反應，熔點相對較低，高溫下熔體粘度低(從而增加爐渣的流動性)，與氧化鋁形成* * *晶體。然而，過量的助焊劑會將反應物稀釋到不能維持燃燒的程度。金屬氧化物的類型也對產生的能量有顯著影響；氧化價越高，產生的能量越高。壹個很好的例子是氧化錳(IV)和氧化錳(II)之間的差異，前者產生過高的溫度，後者幾乎不能維持燃燒；為了獲得良好的結果，應該使用具有適當比例的兩種氧化物的混合物。
反應速率也可以通過粒度來調節；粗顆粒比細顆粒燃燒得慢。對於需要加熱到更高溫度才能開始反應的顆粒來說，這種影響更加明顯。
在絕熱條件下，當沒有熱量散失到環境中時，反應中實現的溫度可以用赫斯定律來估算——通過計算反應本身產生的能量(從產物的焓中減去反應物的焓)，減去加熱產物所消耗的能量(根據它們的比熱，當物質只改變其溫度時，以及當物質熔化或沸騰時它們的熔化焓和最終蒸發焓)。在實際條件下，反應向環境散熱，因此實現的溫度略低。傳熱速率是有限的，所以反應越快，越接近其操作的絕熱條件，實現的溫度越高。[10]
鐵鋁熱劑
最常見的成分是鐵鋁熱劑。所用的氧化劑通常是氧化鐵或氧化鐵。前者產生更多的熱量。後者更容易點燃，這可能是由於氧化物的晶體結構。加入銅或氧化錳可以使其更容易點燃。[9]
鐵(三)鋁熱劑
銅鋁熱劑
銅鋁熱劑可以通過使用氧化亞銅或氧化銅來制備。燃燒速度很快，銅的熔點比較低，所以反應在很短的時間內產生大量的熔融銅。銅(ⅱ)的鋁熱劑反應可能如此之快，以致銅鋁熱劑可視為壹種閃光粉末。可能會發生爆炸，並將銅滴噴射到相當遠的地方。
銅(I)鋁熱劑有工業用途，如焊接粗銅導體，也用於電纜拼接。
鋁熱燃燒劑
鋁熱劑是鹽基氧化劑(通常是硝酸鹽，如硝酸鋇或過氧化物)的鋁熱劑。與常規鋁熱劑相比，鋁熱劑燃燒時有火焰和氣體釋放。氧化劑的存在使混合物更容易點燃，並改善了可燃物對目標的滲透，因為放出的氣體噴射熔渣並提供機械攪拌。這種機制使得鋁熱劑更適合於燃燒目的，而熱固性材料更適合於敏感設備(如密碼設備)的緊急損壞，因為鋁熱劑的作用更加局部化。
app應用
鋁熱反應時釋放的熱量可以使高熔點金屬熔化並流出，所以鋁熱法被廣泛應用於焊接應急工程中，比如將鐵軌連接成壹段長段。此外，鋁熱法也是冶煉釩、鉻、錳等高熔點金屬的重要手段。
鋁熱劑不僅用於焊接鐵軌和冶煉難熔金屬，還廣泛應用於軍事。例如，鋁熱劑的成分被裝入射彈的頭部和噴嘴。由於反應溫度極高，用於制作燃燒彈，可熔穿裝甲，殺傷力大大提高。前蘇聯科學家寫的《火箭炮》壹書中說，火箭彈頭裝藥中有鋁熱劑。
在中國人民革命軍事博物館，美國人的頭盔和卡賓槍被壹起融化在展品中。除了火箭彈，其他炸彈都沒有這麽大的能量。
另外，其他單質與金屬氧化物混合點燃後，也會發生強烈的氧化還原反應，效果類似鋁熱反應。單質可以是鋁、鎂、鈣、鈦、矽和硼，不限於金屬，但金屬氧化物可以是三氧化二硼、二氧化矽、三氧化鉻、二氧化錳、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅和四氧化鉛。有時這些反應根據反應中的還原劑又被稱為“鎂熱法”、“矽熱法”、“鈣熱法”、“碳熱法”。