鋁熱反應（Thermite reaction）

Posted on 2013/09/05 in 化學, 化學技術與應用, 化學與社會 with 沒有迴響 11,084 views

鋁熱反應（Thermite reaction）
國立臺灣師範大學化學系四年級柳向芳

(一) 發現

「德國化學家Hans Goldschmidt」當初致力於在不使用碳的情形下進行冶煉得到純的金屬，在這過程中於1893年發現到金屬氧化物粉末和鋁粉摻雜後得到的混和物應用在不含碳的金屬(carbon-free metal)時，經由反應可以得到少量純的熔融鐵。

這個方法的發現恰好可以用來解決當時候鐵軌不安全的問題。在過去鐵軌和鐵軌之間是以螺母、螺栓以及角鋼連接在一起，所以火車行走時會聽到”喀拉-喀拉”的聲響，這種連接方式會因為天氣的變化會使得連接處膨脹或收縮，再加上火車輪子經過時的撞擊，導致螺母鬆脫也可能使得鐵軌開列最終斷裂。因此Goldschmidt將他所發現的鋁熱反應藉由能將兩塊金屬接合的這個特性運用在鐵軌上，並將用來焊接的物質稱作「Thermit®」，之後的鐵路公司便開始利用Thermit®使軌道更安全、舒適以及行走上更快速。

(二) Thermite reaction簡介

Thermite是一個由金屬粉末及金屬氧化物所構成的煙火組成(pyrotechnic composition)產生放熱的氧化還原反應，此反應稱為thermite reaction。若鋁作為還原劑，則稱為「鋁熱反應(aluminothermic reaction)」。Thermite的組成有很多種，常見的還原劑為鋁，氧化劑有三氧化二硼、二氧化矽、三氧化二鉻、二氧化錳、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅和四氧化三鉛等。

補充說明：pyrotechnic composition為一物質或混和物經由熱、光、聲波、燻煙等方法，產生放熱反應，這個過程不依賴氧氣作為構成反應的要素

(三) 鋁熱反應實驗原理

鋁熱法為利用鋁的還原性獲得高熔點金屬單質的方法，此種反應被稱為鋁熱反應。鋁熱劑(鋁與金屬的混合物-比例約為1 : 2.95）著火點較高，需要引燃。常見的是用鎂條作為引燃劑（若氧氣不足鎂燃燒不充分的話，亦可再混入適量氯酸鉀或過氧化鋇，但易自燃），亦可用高溫噴槍點燃。插入混合物中的部分鎂條燃燒時，氯酸鉀則是助燃劑，以保證鎂條的繼續燃燒，同時放出足夠的熱量引發氧化鐵和鋁粉的反應。由於該反應放出大量的熱，溫度可達2500 ℃，並發出耀眼光芒，只要反應已經引發，就可劇烈進行，放出的熱使生成的鐵熔化為液態。但是，氯酸鉀不能用高錳酸鉀代替，因為高錳酸鉀氧化性太強，高溫會和強還原劑鎂反應，發生爆炸。

(四) 鋁熱反應實驗操作

1.取一張圓形濾紙，倒入5克乾燥的氧化鐵粉末，再倒入2克鋁粉。
2.將兩者混合均勻。用兩張圓形濾紙，分別折疊成漏斗狀，將其中一個取出，在底部剪一個孔，用水潤濕，再跟另一個漏斗套在一起，使四周都有四層。
3.架在鐵圈上，下方放置盛沙的蒸發皿，把混合均勻的氧化鐵粉末和鋁粉放在紙漏斗中，上面加少量氯酸鉀，並在混合物中間插一根鎂條，點燃鎂條，觀察發生的現象。