AluminotermiaaluminotermiaAluminotermia jest to proces egzotermiczny oparty na reakcji redukcjireakcja redukcjireakcji redukcji tlenków metali sproszkowanym glinem. W reakcjach tego typu dochodzi do utworzenia bardziej stabilnego tlenku glinu i odpowiedniego metalu reagującego tlenku. To typowy przykład reakcji termitowejreakcja termitowareakcji termitowej utleniania‑redukcji o ogólnym zapisie:

gdzie:

$M$ – metal, który powstaje w wyniku redukcji jego tlenku glinem;
$M_y{\mathrm{O}}_x$ – tlenek metalu;
$∆H$ – ciepło wydzielone w trakcie przebiegu reakcji.

Z racji wydzielania się dużych ilości ciepła w reakcji termitowej, stosowana jest ona do otrzymywania metali metodą otrzymywania produktu pośredniego z trwałego, mniej reaktywnego substratu, otrzymywania stopów, spawania, do produkcji materiałów ogniotrwałych i kompozytowych oraz przygotowania powłok ceramicznych rur metalicznych.

Spośród szeregu różnych przykładów reakcji, zaliczanych do aluminotermii, najbardziej popularna jest reakcja termitowa między tlenkiem żelaza(II, III) i glinemtermittlenkiem żelaza(II, III) i glinem. Jest stosowana w spawaniu, produkcji kompozytów i produkcji powłok tlenku glinu w metalowych rurach, pod wpływem siły odśrodkowej.

Innymi przykładami tlenków wykorzystywanych w aluminotermii są np.: ${\mathrm{SiO}}_2$, $\mathrm{CuO}$, $\mathrm{ZnO}$, ${\mathrm{Mn}}_3{\mathrm{O}}_4$. W reakcji tej możliwe jest zastosowanie wszystkich tlenków metali o większej niż ${\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3$ entalpii swobodnej (energii swobodnej Gibbsa). Przykładowe wartości zostały zamieszczone w tabeli poniżej:

Indeks dolny Huang Z. J., Yang B., Cui H., Duan X. J., Zhang J. S.,. Microstructure of designed Al matrix composites reinforced by combining in situ alloying elements and AlIndeks dolny 2₂OIndeks dolny 3₃(p), „Journal of Materials Science Letters” 2001, 20, s. 1749‑1751. Indeks dolny koniec_{Huang Z. J., Yang B., Cui H., Duan X. J., Zhang J. S.,. Microstructure of designed Al matrix composites reinforced by combining in situ alloying elements and AlIndeks dolny 22OIndeks dolny 33(p), „Journal of Materials Science Letters” 2001, 20, s. 1749‑1751.}

Reakcje samorzutne charakteryzują się ujemną wartością energii swobodnej Gibbsa $∆G$. Entalpia swobodnaentalpia swobodna Entalpia swobodna jest równa różnicy zmiany entalpii $∆H$ z iloczynem temperatury bezwzględnej i zmiany entropii.

R1FLexcm2wk4B

Wykres zależności energii swobodnej Gibbsa podanej w kilodżulach mnożonych przez mol do potęgi minus 1 od temperatury podanej w stopniach Celsjusza. Na osi X są wartości od 0 do 2500 stopni Celsjusza, na osi Y od minus 1400 do 200 ΔG. Na wykresie jest 10 krzywych. Dotyczą wapnia, magnezu, glinu, tytanu, chromu, żelaza, węgla, niklu, rtęci oraz srebra. Krzywa wapnia rozpoczyna się od wartości 0 stopni Celsjusza i nieco poniżej minus 1200 ΔG, kończy się w punkcie minus 2000 stopni Celsjusza i 1200 ΔG. Krzywa magnezu biegnie od punktu o współrzędnych: 0 stopni Celsjusza, minus 1200 ΔG, kończy w punkcie: 0 stopni Celsjusza, minus 650 ΔG. Krzywa glinu ma współrzędne: 0 stopni Celsjusza, nieco poniżej 1000 ΔG, kończy się z punkcie o współrzędnych: 2200 stopni Celsjusza, minus 800 ΔG. Krzywa tytanu biegnie od punktu o współrzędnych: 0 stopni Celsjusza, minus 900 ΔG, a kończy się w punkcie o współrzędnych: 1800 stopni Celsjusza, minus 600 ΔG. Krzywa chromu ma następujące współrzędne początkowe: 0 stopni Celsjusza, minus 720 ΔG, współrzędne końcowe: 2000 stopni Celsjusza, minus 450 ΔG. Krzywa żelaza - współrzędne początkowe 0 stopni Celsjusza, minus 500 ΔG, współrzędne końcowe 1800 stopni Celsjusza, minus 100 ΔG. Krzywa węgla biegnie od punktu o współrzędnych: 0 stopni Celsjusza, minus 400 ΔG, gwałtownie załamuje się i biegnie w dół w temperaturze około 800 stopni Celsjusza. Współrzędne na końcu krzywej wynoszą: 2400 stopni Celsjusza, minus 800 ΔG. Krzywa niklu ma następujące współrzędne - na początku 0 stopni Celsjusza, minus 450 stopni Celsjusza, współrzędne końcowe: 1800 stopni Celsjusza, minus 100 ΔG. Krzywa rtęci rozpoczyna się w punkcie o współrzędnych 0 stopni Celsjusza, nieco poniżej minus 100 ΔG, współrzędne punktu na końcu krzywej: 1000 stopni Celsjusza, nieco poniżej 200 ΔG. Krzywa srebra rozpoczyna się w punkcie 0 stopni Celsjusza, około minus 30 ΔG, kończy się w punkcie o współrzędnych około 1100 stopni Celsjusza, nieco poniżej 100 ΔG.

W przypadku rozpatrywania reakcji redukcji tlenków metali glinem, przydanym narzędziem są schematy Ellinghamaschemat Ellinghamaschematy Ellinghama. Są to wykresy zależności zmiany energii swobodnej Gibbsa (przypadającej na mol tlenu) od temperatury, dla różnych przykładów reakcji utleniania metali do tlenków. Na tym wykresie zmiany przebiegają prostoliniowo, przegięcia wykresu oznaczają przemiany fazowe, tj. topnienie, parowanie. Przykładowo dla rtęci można zaobserwować wartość 356ºC – wówczas rtęć wrze. Jeśli prosta na wykresie przecina linię 0 (zmiana entalpii swobodnej Gibbsa staje się dodatnią), a powstały tlenek jest nietrwały dla tej temperatury (i powyżej). Na tym wykresie dany metal redukuje wszystkie tlenki metali, które znajdują się nad nim  ($∆G$ maleje). Zatem $\mathrm{Al}$ redukuje $\mathrm{FeO}$, $\mathrm{CrO}$ oraz $\mathrm{NiO}$.

Ciekawostka

W wyniku reakcji termitowej otrzymywane jest żelazo i tlenek glinu. Jest to reakcja wysoce egzotermicznareakcja egzotermicznaegzotermiczna, która osiąga nawet 3000ºC, dzięki czemu możliwe jest stopienie żelaza i otrzymanie go w czystej postaci. Termit wykorzystywany jest do spawania np. torów kolejowych, czy jako dodatek w środkach bojowych. Zainicjowanie reakcji termitowej następuje przy użyciu wysokiej temperatury (ok. 1000ºC), co może nastąpić poprzez inną reakcję, np. reakcję wymiany między tlenkiem manganu(IV) a magnezem:

$${\mathrm{MnO}}_2+2\mathrm{Mg}\to \mathrm{Mn}+2\mathrm{MgO}$$

RIHegcXu7dmln

Zdjęcie przedstawia fragment torów kolejowych. W jednym miejscu na torach jest żółty płomień.

Ciepło wydzielane w powyższej reakcji pozwala na zainicjowanie pożądanej reakcji termitowej.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.