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铝热反应 (Thermite reaction)?

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(一) 发现

「德国化学家Hans Goldschmidt」当初致力于在不使用碳的情形下进行冶炼得到纯的金属,在这过程中于1893年发现到金属氧化物粉末和铝粉掺杂后得到的混和物应用在不含碳的金属(carbon-free metal)时,经由反应可以得到少量纯的熔融铁。

这个方法的发现恰好可以用来解决当时候铁轨不安全的问题。在过去铁轨和铁轨之间是以螺母、螺栓以及角钢连接在一起,所以火车行走时会听到”喀拉-喀拉”的声响,这种连接方式会因为天气的变化会使得连接处膨胀或收缩,再加上火车轮子经过时的撞击,导致螺母鬆脱也可能使得铁轨开列最终断裂。因此Goldschmidt将他所发现的铝热反应藉由能将两块金属接合的这个特性运用在铁轨上,并将用来焊接的物质称作「Thermit?」,之后的铁路公司便开始利用Thermit?使轨道更安全、舒适以及行走上更快速。

(二) Thermite reaction简介

Thermite是一个由金属粉末及金属氧化物所构成的烟火组成(pyrotechnic composition)产生放热的氧化还原反应,此反应称为thermite reaction。若铝作为还原剂,则称为「铝热反应(aluminothermic reaction)」。Thermite的组成有很多种,常见的还原剂为铝,氧化剂有三氧化二硼、二氧化硅、三氧化二铬、二氧化锰、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化铜和四氧化三铅等。

  • ?补充说明:pyrotechnic composition为一物质或混和物经由热、光、声波、燻烟等方法,产生放热反应,这个过程不依赖氧气作为构成反应的要素

(三) 铝热反应实验原理

铝热法为利用铝的还原性获得高熔点金属单质的方法,此种反应被称为铝热反应。铝热剂(铝与金属的混合物-比例约为1 : 2.95)着火点较高,需要引燃。常见的是用镁条作为引燃剂(若氧气不足镁燃烧不充分的话,亦可再混入适量氯酸钾或过氧化钡,但易自燃),亦可用高温喷枪点燃。插入混合物中的部分镁条燃烧时,氯酸钾则是助燃剂,以保证镁条的继续燃烧,同时放出足够的热量引发氧化铁和铝粉的反应。由于该反应放出大量的热,温度可达2500 ℃,并发出耀眼光芒,只要反应已经引发,就可剧烈进行,放出的热使生成的铁熔化为液态。但是,氯酸钾不能用高锰酸钾代替,因为高锰酸钾氧化性太强,高温会和强还原剂镁反应,发生爆炸。

(四) ? 铝热反应实验操作

1.取一张圆形滤纸,倒入5克乾燥的氧化铁粉末,再倒入2克铝粉。
2.将两者混合均匀。用两张圆形滤纸,分别折叠成漏斗状,将其中一个取出,在底部剪一个孔,用水润湿,再跟另一个漏斗套在一起,使四周都有四层。
3.架在铁圈上,下方放置盛沙的蒸发皿,把混合均匀的氧化铁粉末和铝粉放在纸漏斗中,上面加少量氯酸钾,并在混合物中间插一根镁条,点燃镁条,观察发生的现象。

 

(五)?? 影片欣赏

化学实验

铁轨焊接

 

资料来源:
1. THE THERMITE REACTION ?2005 by David A. Katz.? All rights reserved. http://www.chymist.com/Thermite%20reaction.pdf
2.http://en.wikipedia.org/wiki/Thermite
3.http://baike.baidu.com/view/110026.htm
4.http://www.davidavery.co.uk/thermite/
5. http://www.rsc.org/learn-chemistry/wiki/TeacherExpt:The_thermite_reaction

 

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