Thermitreaktion

Thermitreaktion mit Fe₂O₃

Thermit zerstört eine gusseiserne Pfanne

Gefahr durch unkontrolliert umherspritzendes heißes Metall

Vorbereitung zum Verschweißen eines Schienenstoßes

Thermit-Reaktion auf einer Bahnschiene

Aluminothermisch geschweißter Schienenstoß

Die Thermitreaktion ist eine Redoxreaktion, bei der Aluminium als Reduktionsmittel benutzt wird, um Eisen(III)-oxid zu Eisen zu reduzieren. Das Gemisch aus Aluminiumgrieß und Eisenoxidpulver wird Thermit genannt.

$\mathrm{Fe_2O_3 + 2 \ Al \longrightarrow 2 \ Fe + Al_2O_3}$

Die Reaktion läuft sehr stark exotherm ab, also unter starker Wärmeentwicklung (bis zu 3000 °C). Die Reaktionsprodukte sind Aluminiumoxid und elementares Eisen in glühend-flüssigem Zustand. Das Aluminiumoxid schwimmt auf dem Eisen.

Die Reaktion erfolgt beispielsweise in einem Tontiegel, als Zündmittel wird Bariumperoxid mit Magnesium an einem Thermitanzünder ähnlich einer Wunderkerze benutzt.

Nach dem gleichen Prinzip können auch andere Metalle, wie Chrom und Mangan hergestellt werden (Aluminothermie).

Sicherheit

Thermitschweißgemische sind kein Explosivstoff und lassen sich nur durch eine sehr große Wärmezufuhr (Aktivierungsenergie) zur Umsetzung (Entzündung) bringen. Die Entzündungstemperatur des für Schweißzwecke verwendeten Thermits liegt bei über 1500 °C; diese wird mit einem pyrotechnischen Anzünder erreicht, aber auch ein einfacher Magnesiumstab kann die benötigte Energie und Temperatur liefern. Aber auch ein Gasbrenner mit Propan und Sauerstoff eignet sich als Anzünder. Als Sicherheitsmaßnahme werden Thermitschweißmassen und -anzünder getrennt gelagert, damit bei einem Brand eventuell brennende Anzünder nicht in die Schweißmasse fallen.

Die volumen- oder gewichtsmäßig bezogene Energiedichte (spezifische Enthalpie) von Thermitschweißmassen ist wesentlich geringer als diejenige von Stoffen, die mit Luftsauerstoff verbrennen (Leichtmetalle, Phosphor, Benzine, Benzol, Napalm II). Vergleich: Thermit zum Schweißen besitzt ca. ein Viertel der spezifischen Enthalpie von Holz. Dies liegt daran, dass das im Thermit enthaltene Eisenoxid überhaupt keine Energie liefert, sondern erst in Eisen und Sauerstoff zerlegt werden muss, was einen beträchtlichen Energieaufwand erfordert.

Da brennendes Thermit keinen externen Sauerstoff benötigt, kann die Reaktion nicht erstickt werden und in jeder Umgebung – auch unter Sand oder Wasser – gezündet werden und weiterbrennen.

Löschversuche mit Wasser sowie Feuchtigkeit führen zu einer weiteren Redoxreaktion, in der das Wasser von den unedleren Metallen reduziert wird und so Metalloxid und Wasserstoff entstehen:

$\mathrm{2 \ Al + 3 H_2O \longrightarrow 3 \ H_2 + Al_2O_3}$

$\mathrm{2 \ Fe + 3 H_2O \longrightarrow 3 \ H_2 + Fe_2O_3}$

Der dabei entstehende Wasserstoff reagiert bei diesen Temperaturen wieder mit Luftsauerstoff zu Wasser, das wiederum mit Aluminium und Eisen reagiert. Die Anwesenheit von Wasser stellt daher eine große Gefahr bei der Thermitreaktion dar und führt zum explosionsartigen Ausschleudern glutflüssiger Stoffe sowie zu explosionsfähigen Wasserstoff-Sauerstoff-Mischungen (Knallgas). Thermitgemische müssen daher trocken gelagert werden. Schweißstellen im Gleisbau werden in der Regel zuvor mit einem Gasbrenner auf über 100 °C erhitzt, um sie zu trocknen.

Anwendungen

Die Anwendungen von Thermit-Reaktionen sind vielfältig. Die häufigste Anwendung ist die Reduktion von Eisen(III)-oxid, wobei Temperaturen über 2200 °C erreicht werden können:

$\mathrm{Fe_2O_3 + 2 \ Al \longrightarrow Al_2O_3 + 2 \ Fe, \ {-}851{,}5 \ \frac{kJ}{mol}}$

Gleisbau

Thermit wird seit etwa 1920 zum aluminothermischen Schweißen und Fügen von Bahngleisen an den Schienenstößen angewendet.^[1]

Beim aluminothermischen Verschweißen von Schienenstößen wird eine bestimmte Menge Thermit in einem Schamotte-Trichter über dem mit Formsand eingeschlossenen Schienenstoß entzündet. Das nach einigen Sekunden in den Fügespalt einfließende flüssige Eisen ist ausreichend heiß, um die Schienenenden zur Verschweißung anzuschmelzen.

Zusatzstoffe wie Vanadium machen den Schweißstahl härter als den eigentlichen Schienenstahl.

Das Thermitschweißen wird heute oft durch das effektivere Abbrennstumpfschweißverfahren ersetzt, welches jedoch einen höheren Geräteaufwand erfordert.

Waffen

Elektron-Thermitstäbe wurden in Kriegen als Brandbomben und Brandmittel verwendet.

Darstellung anderer Elemente

Die Redoxreaktion mit Aluminium (Aluminothermie) kann auch verwendet werden, um andere Metalloxide oder -erze, etwa Uranerz, Chrom(III)-oxid^[2], Siliciumdioxid oder Manganoxid zu den jeweiligen Metallen bzw. Halbmetallen zu reduzieren.^[3]

Vorführungen

Wegen der beeindruckenden Reaktion mit Lichteffekten und umher sprühenden Eisentropfen wird Thermit gerne in chemischen Showexperimenten eingesetzt.^[4]

Einzelnachweise

1. ↑ Patent US5877468.
2. ↑ Patent US5092921.
3. ↑ Patent US5152830.
4. ↑ https://lp.uni-goettingen.de/get/text/3939

Weblinks

 Wikibooks: Anorganische Chemie für Schüler/ Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm#Die Thermitreaktion – Lern- und Lehrmaterialien

• Animation: Thermitschweißverfahren
• Video: Verschweissen von Schienen mit Thermit