Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 6 » Металлотермия
11:04
Металлотермия

Как известно, все металлы способны только отдавать электроны, и не в каких реакциях не принимают электроны. Поэтому, в природе встречаются руды, в которых металлы связаны в соединения с положительными степенями окисления (обычно, это оксиды, гидроксиды, сульфиды, карбонаты, в том числе смешанные, меньший интерес для промышленности представляют сульфаты и силикаты) из которых металл необходимо восстановить. Для этого соединение обычно прокаливают на воздухе, переводя в оксид, и восстанавливают.

Из наиболее классических восстановителей, применяемых для этих целей можно назвать: древесный уголь, кокс, нефтяной пек и т.п., все они содержат углерод. Данные восстановители имеют ряд преимуществ (широкая сырьевая база, низкая себестоимость, относительно мягкие условия восстановления, возможность протекания процесса в широком интервале условий и др.), но для восстановления тугоплавких и активных металлов, а также, в случае необходимости получения металла высокой чистоты, использование углеродных восстановителей очень ограниченно.

В 1865 году Н.Н. Бекетов предположил возможность обменной реакции между активным металлом и оксидом менее активного металла, с целью восстановления последнего. В ряду последовавших за этим экспериментов была также, удачная попытка восстановления натрия алюминием из прокаленной соды. Реакция была проведена в запаянном ружейном стволе (в качестве термостойкого реактора) для предотвращения взаимодействия полученного металла с кислородом воздуха. Восстановленный металл, в виде паров, сконденсировался в противоположном, холодном конце ствола. После окончания процесса и охлаждения конструкции, Бекетов разрезал оплавившийся в зоне реакции ствол и извлек несколько небольших шариков натрия.

Как же так? Скажете Вы, ведь натрий стоит в ряду напряжений металлов левее алюминия, он более активен. Дело в том, что при реакции металлотермического восстановления одним металлом другого из оксида, учитывается не только активность метала на один моль, но и изобарно-изотермичесский потенциал его конкретного оксида.

Для ясности, оценим выше приведенный случай, оксид натрия Na2O и оксид алюминия Al2O3. В случае оксида натрия, на два атома натрия, общей массой в 46 гр. на моль, приходится один атом кислорода, массой 16 гр. на моль. Два атома натрия отдают два электрона, затрачивая на это некоторое количество энергии, один атом кислорода принимает эти два электрона, выделяя энергию. В случае алюминия, два атома алюминия, общей массой 54 гр. на моль, отдают в сумме 6 электронов, затрачивая на это не на много большее количество энергии, чем два атома натрия в предыдущем оксиде. А, три атома кислорода принимают все 6 электронов, выделяя при этом в три раза больше энергии, чем один кислород для молекулы оксида натрия.

Становится понятно, что, несмотря на более высокую активности, то есть легкость отдачи первого электрона, натрий проигрывает из-за невозможности с аналогичной легкостью отдать еще два электрона. Поэтому, несмотря на большую активность в растворах солей и при взаимодействии с кислотами, натрий менее активен при металлотермии. Иными словами, в металлотермии важна не легкость взаимодействия с кислотами, а теплота сгорания одного грамма металла в кислороде.

Для оценки изобарно-изотермических потенциалов металлов, составлены таблицы их теплоты образования, в расчете на 1 г-экв., таблица 1.

оксид

теплота образования в кДж/(г-экв)

оксид

теплота образования в кДж/(г-экв)

оксид

теплота образования в кДж/(г-экв)

CuO

78,45

Fe2O3

136,11

Na2O

208,07

Cu2O

84,94

WO3

136,48

Ta2O5

208,78

Bi2O3

96,11

Fe3O4

138,61

SiO2

218,82

CrO3

97,15

SnO2

144,47

TiO2

228,15

Co3O4

102,51

Cs2O

171,75

B2O3

243,38

PbO

109,54

ZnO

174,39

ZrO2

269,99

CoO

120,30

Mn3O4

175,98

Al2O3

274,26

NiO

122,17

V2O3

182,84

BaO

278,20

MoO3

125,81

Cr2O3

190,38

Li2O

297,69

CdO

130,46

Nb2O5

193,72

MgO

305,64

MnO2

131,17

MnO

194,76

CaO

317,56

FeO

134,93

V2O3

196,14

La2O3

318,69

Таблица 1.

Оксиды в таблице построены от менее прочных к более прочным, чем прочнее оксид, тем большую энергию нужно затратить для его разрушения. При образовании оксида, эта же величина энергии выделяется. Поэтому, при смешении в стехиометрическом соотношении (что бы, весь кислород, выделенный оксидом, израсходовался на образование другого оксида) оксида металла с чистым металлом, металл должен выделять при своем сгорании значительно больше энергии, чем необходимо для разрушения данного оксида. Разница энергий образования этих оксидов уходит на тепловые потери и плавление полученного металла (или неметалла).

При составлении термитных смесей следует учитывать, что некоторые оксиды и металлы очень тугоплавки, для их восстановления необходимо брать очень активный восстановитель, дабы, разницы в энергии образования оксидов хватило для плавления всех компонентов смеси.

Прочность большинства оксидов элементов уменьшается с повышением степени окисления элемента (содержания кислорода в оксиде). Исключение составляет оксид двухвалентного железа, он менее прочен, чем высшие оксиды железа. Это связанно с наиболее устойчивой электронной конфигурацией трех валентного железа.

Некоторые высшие оксиды способны легко отдавать кислород, например, MnO2, при этом образуется очень прочный и тугоплавкий оксид марганца Mn2O3, который можно восстановить только очень сильными восстановителями. Поэтому, Несмотря на положение в таблице, невозможно восстановить марганец из четырех валентного оксида при помощи металлического цинка или олова, и даже ванадия.

На легкость восстановления оксидов влияют примеси оксидов близкого строения и структуры, но имеющих меньшую энергию связей. Например, оксид трех валентного хрома легче поддается восстановлению при небольшом содержании оксида железа (III).

Еще легче получить тугоплавкое вещество и/или из прочного оксида, в случае получения сплава. В этом случае, смешивают подходящие оксиды в нужной пропорции, руководствуясь необходимым соотношением компонентов в сплаве и/или термодинамическими свойствами оксидов. Затем добавляют стехиометрическое количество восстановителя и проводят реакцию. Жидкие металла смешиваются после выделения, образуя требуемый сплав.

Практически во всех случаях металлотермии, образующийся в результате реакции оксид металла получается более тугоплавким и менее плотным, чем расплавленный металл, поэтому, он всплывает на поверхность и его легко отделить. Наибольшее применение для процессов металлотермии, в качестве восстановителя, нашел алюминий. В виду его относительно низкой стоимости, большой сырьевой базы, хорошим освоением промышленностью, высокой активности и др.

Металлотермия с использованием в качестве восстановителя алюминия, называется алюмотермия. Основные области промышленного применения алюмотермии связанны с изготовлением термитных шашек, порошков и свечей для сварки, резки или наплавки стальных изделий (Рисунок 2).

термитные свечи для сварки

Рисунок 2.

На рисунке 2 представлены сварочные стержни для сварки сталей. Данная марка отличается легкостью и удобством в применении. Виден характерный алюминиевый блеск материала свечи (в состав входит избыточное количество алюминиевой пудры). Свечи имеют характерный запах хлората калия и нитролака, напоминающий запах спичечных головок или бенгальских огней. Эти добавки облегчают воспламенение массы свечи.

В промышленных процессах применения термита предусматривается использование, как аналогичных свечей, так и специальных воспламенителей. Воспламенители имеют различное конструкционное оформление и массу. В отличие от гражданских свечей, промышленные термитные смеси, как правиле, не содержат связующих полимерных материалов и добавок облегчающих горение, за счет чего достигается более высокое качество шва и высокий КПД использования термитной смеси.

В моей практике попадался термит производства Польши, выпуска 80-х годов прошлого века. Фасовка в пакеты из прочного полиэтилена по 5 кг. Масса представляла собой смесь алюминиевой стружки (средняя толщина 0,5 мм), гранулированной железной окалины (размер 1-7 мм), характерных каплевидных обрезков гвоздей и мелкие кусочки марганца. К массе прилагались отдельные воспламенители, так как, ввиду низкой дисперсности и отсутствия добавок, облегчающих воспламенение, эту массу достаточно проблематично поджечь. К слову сказать, железная окалина, в данном термите отличается высоким качеством.

Предназначен этот термит для сварки рельсов в условиях отсутствия под рукой сварочного аппарата достаточной мощности или электросети для него. Подобную сварку проводят при помощи термостойкой оправки из пористой шамотной керамики и/или асбестового волокна. Для этого, загружают термит в оправку ("емкость” для горения) и поджигают. Сгорая, термитная масса образует расплав стали (со значительным содержанием марганца), который стекает вниз, в промежуток между рельсами. Нижняя часть оправки служит направляющей для расплава, не давая ему растекаться в стороны. После застывания расплава, оправку удаляют, а неровности зачищают.

Подобная технология применяется для сварки различных стальных конструкций, особенно крупных конструкций в условиях удаленных и труднодоступных районов.

В качестве воспламенительного состава для термитных смесей используют прессованные шашки (от 2 до 100 гр.) из смесей на основе алюминиевой или магниевой пудры с достаточно сильным окислителем. Обычно, в качестве окислителя используют диоксид марганца, оксид шестивалентного молибдена, а также смешанные оксиды кобальта или меди. Широко используются для этих целей хлорат и перхлорат калия. Из дополнительных добавок следует отметить ферроцены, нитролак, реактопластовые смолы, другие металоорганические соединения и пр., но, содержание всех этих добавок не превышает в сумме 10-15%.

О применении термитных смесей в качестве (и при составлении) энергонасыщенных соединений, мы поговорим в другой раз.

Категория: Металлургия | Просмотров: 3136 | Добавил: Chemadm | Теги: Металлургия, термит, алюмотермия | Рейтинг: 4.7/33
Всего комментариев: 6
0
5  
См. https://www.youtube.com/watch?v=5dlFgkaxgco
Скорее всего в Торговом центре применен обычный штатный термит.

0
6  
Работа журналистов заключается в том, что бы манипулировать фактами в том направлении, в котором выгодно, поэтому, фильм нельзя рассматривать как истину в последней инстанции на все 100%.
      При этом по моей оценке в фильме 50-70% информации соответствует действительности. Если даже столь скромное количество прямых доказательств имеют место быть, тогда, лишний раз убеждаюсь, что я явно переоценивал уровень интеллектуальных способностей ЦРУ, ФРС, Вашингтонских офицеров и пр.
Даже косвенных доказательств, из которых почти не одно не упоминается в фильме, достаточно, что бы утверждать о причастности ФРС и их шавок из правительства США к событиям 11 сентября.
      Если говорить о технической стороне вопроса. Многие свидетели утверждают, что слышали взрывы. Опоры высотных зданий проходят через центральную часть здания и имеют большую толщину (до 2-4 метров). Нагрузка на опоры очень велика, они работают на сжатие. Бетон, как и камень, прекрасно противостоит сжатию. НО, пока он целый и ровный. Всего 30-50 зарядов по 0,5 кг гексогена (или гекфола, ТГ-40, окфола, ТЭНа или пр.) достаточно заложить в 0,5-1,5 метровые цилиндрические шурфы в опорах здания, что бы при их детонации не менее 30-45% несущих опор растрескались и ослабли. Стальная арматура здания является упругой, она не рассчитана на вес здания и лишь подстраховывает его от бокового крена, вибрации, частичных разрушений. Локальное дробление опор даже несколькими десятками 500 гр. зарядов вызовут растрескивание опор. А сверху многие тысячи тонн веса здания. Любая трещинка сразу разрастается и здание падает. И безо всякого самолета. В этой неразберихе никто никогда не найдет среди многометрового слоя битого, обгоревшего бетона, ни следов взрывчатки, ни, характерных для взрывов разрушений. Термит могли использовать вкупе с БВВ, хотя в нем и не было необходимости. Взрывы 0,5 кг буровых шашек гекфола в закрытых шурфах в центре здания, да еще на фоне всего шума событий, ни кто не мог услышать громко. Так что, я даже переоцениваю навыки тех, кто заложил БВВ.
     Что касается сердца официальной версии, то, ни 6,5, ни 13, ни даже 20 тонн авиационного керосина не способны вызвать столь обширное и продолжительное пламя, что оно охватило весь этаж и в течение 30-40 минут прогревало стальные элементы конструкции до их критического искривления.
     Не нужно быть экспертом в БВВ или пожарах, не нужно быть военным специалистом, что бы представить себе, какое количество керосина требуется для создания тех облаков пламени, которые мы видим на видеозаписях. Не менее 3-4 тонн, остальное топливо разлилось в месте столкновения самолета со стеной здания. Сгорать внутри здания в течение более чем 20-30 минут было просто не чему. Не говоря уже о том, что здание было рассчитано на удар нескольких таких самолетов.
     При всех технических тонкостях, одних только политических мотивов, экономических тенденция и косвенных социальных предпосылок уже достаточно, что бы утверждать: если даже предположить, что Вашингтон и не сам устроил "11 сентября", то, по крайней мере, он способствовал успеху терактов и допустил их.

0
3  
В последнее время появились так называемые нано- или супертермитные системы. 
Известно, что некоторые энергоемкие безгазовые составы обладают более высокой энергетикой чем такие ВВ, как гексоген или октоген. Их применение сдерживалось отсутствием рабочего тела - газообразных продуктов реакции. Обнаружено, что при смешении исходных компонентов на нано-уровне скорость реакции супертермитов и развиваемая при этом температуры так велики, что продукты реакции превращаются в плазму, что создает значительный взрывной эффект.
Имеются подозрения, что снос Торгового центра в Нью-Йорке 11 сентября не обошелся без таких композиций.

0
4  
Ответ на данное сообщение размещен на форуме в созданной по Вашей просьбе теме.

1
1  
Каким составом можно воспламенить термит в домашних условиях?

0
2  
Наилучшие результаты можно достичь использованием смесей на основе перхлората калия. Смесь перхлорат калия:алюминий:ферроцен в отношении 55:37:8, позволяет легко воспламенить любой термит весьма небольшими количествами запальной смеси. В домашних условиях можно использовать хлорат калия, полученный перекристаллизацией из спичечных головок или перманганат калия. Вместо ферроцена неплохо подходит сера. Как альтернативу сере можно назвать стеараты железа или цинка. Хорошие результаты дает фосфорная намазка со спичечных коробков (фосфор легко воспламеняется и дает твердые продукты сгорания).
Любой состав для воспламенения термита должен иметь высокую теплотворную способность при стабильном горении и минимальном количестве газообразных продуктов сгорания. Они уносят тепло из зоны горения.
Запальную смесь лучше формовать в небольшую шашку (массой 3-10 гр.). Из небольшой порции запальной смеси и термита приготовить переходный состав и разместить его слоем вокруг запала. Эта конструкция должна плотно контактировать с основной массой термитной смеси.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]