鋁熱反應

1895年，德國Goldschmidt發現了鋁熱反應的自蔓延特徵。鋁熱反應的工業化應用是始於熱劑焊焊接鋼軌。這就是我國現正在使用的德國施密特公司的鋁熱焊產品的始創者。自20世紀60年代末，自蔓延高温合成(SHS)在原蘇聯形成個新學科以來，在各國已進行了大量研究並取得了很大發展

自蔓延高温合成技術是由前蘇聯科學家Merzhanoy和Borovinskaya在研究火箭固體推進劑燃燒問題時，實驗過渡族金屬和硼碳、氮等的反應時首次發現並提出來的，也被稱作燃燒合成（CS）。其特點是利用外部提供必要的能量誘發放熱化學反應體系局部發生化學反應（點燃），形成化學反應前沿（燃燒波），此後化學反應在自身放出熱量的支持下繼續進行，表現為燃燒波蔓延至整個反應體系，最後合成所需要材料（粉體或者固結體）。SHS已經形成一個獨立的學科。本章中對鋁熱反應的最新研究成果進行了簡單介紹SHS最突出的優點是：工藝簡單，過程時間短；合成物污染少、純度高；最大限度地利用材料的人工合成中的化學能節約能源；能集材料合成和燒結等多種工藝於一體。

從SHS被發現到20世紀80年代初，只有前蘇聯在不對外公佈的狀態下進行研究。前蘇聯科學院對SHS技術研究極為重視，專門從其科學院物理化學研究所分離出一個單位來研究，這就是後來知名的結構宏觀動力學研究所。該研究所對SHS進行了全方位的研究，取得了奠基性的成果。進入90年代，儘管俄羅斯國家總體科研環境欠佳，但是他們在SHS領域研究的總體水平仍然居於世界前列。

前蘇聯對SHS理論的建立和SHS技術及其應用的發展做了大量的工作。在理論上，他們建立並發展SHS燃燒理論，又將其和材料科學結合起來，提出了結構宏觀動力學理論，建立起SHS過程中的燃燒過程和材料結構形成間的關係；在應用方面，他們發展了一系列無機材料粉末合成與成型、緻密化技術相結合的技術。

80年代以後，SHS傳播到美國、日本、中國等國家，開始在世界範圍內的發展。美國科學家在SHS基礎研究方面的成果最為紮實，研究力量也最為強大。他們發展了新的燃燒模型和有機物的燃燒合成及非常規SHS技術。 ^[1] 

鋁熱反應的原理，是鋁單質在高温的條件下進行的一種氧化還原反應，體現出了鋁的強還原性。由於氧化鋁的生成焓（-1645kJ/mol）極低，故反應會放出巨大的熱，甚至可以使生成的金屬以熔融態出現。另一方面，反應放出大量熱使鋁熔化，反應在液相中進行使反應速率極快，短時間放出極大量的熱。鋁熱反應的劇烈程度，由金屬離子氧化性所決定。據估計，500克鋁熱劑（成分是氧化鐵和鋁）會在30秒內燃燒殆盡。

表達式：2yAl+3M_xO_y→yAl₂O₃+3xM(M為金屬元素)

實驗反應化學方程式:

氧化鐵：2Al+Fe₂O₃→2Fe+Al₂O₃

四氧化三鐵：8Al+3Fe₃O₄→9Fe+4Al₂O₃

二氧化錳：4Al+3MnO₂→3Mn+2Al₂O₃

五氧化二釩：10Al+3V₂O₅→6V+5Al₂O₃

氧化鉻：2Al+Cr₂O₃→2Cr+Al₂O₃

(鋁熱反應配平技巧：取反應物和生成物中氧化物中兩邊氧的最小公倍數，即可快速配平，如鋁熱法中，可取Fe₃O₄和Al₂O₃中氧的最小公倍數12，則Fe₃O₄前應為3，Al₂O₃前應為4，底下便可得到Al為8，Fe為9）

鋁熱化學反應是一個氧化還原的反應，利用還原金屬（鋁）和金屬氧化物（氧化鐵）鐵合金和鐵釘屑等按比例配成的鋁熱焊劑，放在特製的坩堝中，用高温火柴點燃，立即引起強烈的化學反應，在反應過程中鐵（Fe）被還原出來，由於鐵比重大沉於坩堝底部，鋁氧化成氧化鋁（Al₂O₃）熔渣較輕浮於上部，同時產生巨大的熱量，高温的鋁熱鋼水隨即澆入扣在軌縫上的砂型中，將兩軌端熔化，澆注金屬本身又作為填充金屬，將鋼軌焊接起來各種金屬對氧的化學親和力大小各不相同，與氧親和力較大的金屬能夠把與氧親和力較小的金屬從它的氧化物中還原出來。鋁在足夠高的温度下，與氧有很強的化學親和力，它可以從很多重金屬的氧化物中奪取氧，而把重金屬還原出來，例如能把鐵、鈦、硅、錳、鉻、釩、鎢等還原出來，同時放出一定量的熱量。為了獲得優質的鋁熱鋼，根據不同要求在鋁熱焊劑中可以加入石墨粉調整碳合量，加入一些合金元素，例如錳硅以及鈦、鉬等。 ^[1] 

鋁熱爆劑的反應過程和主要產物

在坩堝中的鋁熱焊劑經點燃立即進行化學反應，生成定量的鐵，經加入合金元素，調整化學成分形成鋁熱鋼，同時生成Al₂O₃熔渣和其他成分的組成物如MnO、FeO等進入熔渣中，反應在若干秒內完成，但反應完成後必須有定時間的停留（鎮靜時間），也就是在反應平靜後適當時間才可打釘澆注，以保證反應完全和保證鋁熱鋼中含有一定量的鋁。鋁熱焊的主要反應產物為液態的鋁熱鋼和熔渣。根據鋁熱焊主要化學反應式，從理論上計算純鐵和熔渣的產量，由於反應不能進行完全，而且在熔渣中也夾雜着鐵，所以實際上，鐵的生成量低於計算值熔渣的主要成分為Al₂O₃，合有少量的氧化鐵、氧化錳以及硅酸物。氧化鐵可以使熔渣呈黑色，氧化錳使熔渣呈褐色，正常的鋁熱鋼的熔渣是棕褐色。

鋁熱反應温度

某金屬與氧的親和力大，這就是説該金屬在燃燒時的生成熱較大，例如鋁與氧的親和力較鐵與氧的親和力要大，這是因為燃燒生成熱較大，因此氧原子由結合中放出鐵而讓位給鋁鋁熱化學反應由於放出大量的熱，因此使熔渣和鋼液的温度提高到很高的温度，根據文獻記載，這一温度可達2500℃~3500℃。焊接實際需要出發，可以加入適量的添加劑，一方面使鋼液温度降至2000℃~2100℃左右，同時也使鋼的生成率增加。

1.將氧化鐵和鋁粉按照體積比3:2混合均勻製成鋁熱劑，裝入容器內

2.取少量氯酸鉀充分研碎，撒到鋁熱劑頂部

3.取一根10cm左右的鎂條，用砂紙打磨乾淨，插入鋁熱劑頂部

4.引燃鎂條，戴好墨鏡，以防閃光傷眼。

5.在鋁熱劑下放一些廢鐵，可以被鋁熱劑燃燒時產生大量的熱量熔化，變成炙熱、亮黃色的鐵水，非常壯觀。注意安全。

實驗現象：鎂條劇烈燃燒，放出大量熱能，使氧化鐵粉末和鋁粉在高温下發生劇烈的氧化還原反應。最終生成液態的鐵和氧化鋁。 ^[2] 

鋁熱反應有一定的危險性，不允許在家裏或房間裏做該實驗，否則容易造成高度化學燙傷及嚴重化學爆炸等事故。如果對鋁熱感興趣，可以選擇室外或者安全的有防火措施的房間進行實驗，並建議用四氧化三鐵作為金屬氧化物，並嚴格控制反應物量的大小，建議鋁粉可稍微過量，以使金屬氧化物完全反應。在使用鎂條時請注意，鎂條必須打磨光亮或酸洗以除掉氧化膜，並且要10釐米左右，太短熱量不夠，太長燃燒時間太長，並造成浪費。不能在承接容器中加水，否則金屬會與水反應生成氫氣發生爆炸或者使水迅速沸騰導致液態金屬飛濺。切忌在反應物附近放可燃物，易燃物或玻璃等易爆物品。當用氯酸鉀作氧化劑時，切不可加大劑量，否則會引起氣體劇烈膨脹引起物理爆炸以及鋁粉與氯酸鉀劇烈反應產生化學爆炸，在點燃反應物之前，先撤離周圍人員，並保持一段距離（十五米以上）。

在點燃鎂帶時，可使用防風打火機，噴火槍或酒精燈。發現鎂條逐漸變黑和閃火星時，説明鎂條已經吸收了夠多的熱量，馬上要燃燒了，這時要繼續加熱，並準備撤離。點燃鎂帶後，要趕快離至適合的距離，實驗者必須戴墨鏡或防強光的設備觀察實驗現象，以防止被鋁熱反應的強光灼傷眼睛。絕對不允許在反應物旁觀察反應現象。反應時，會有900～1500℃的高温的金屬熔融物噴出，這時要隔離周圍人員，不得靠近。反應結束後，切不可用水澆滅，要等其自然冷卻。

進行反應時，容易生成劇烈反應的金屬氧化物，如二氧化錳等，建議不要用相機進行拍攝，如需拍攝分析，最好用耐強光的鏡頭，或在鏡頭上裝上黑色膠片等。 ^[3] 

1.在冰塊上進行鋁熱反應會發生爆炸

不可用水作為介質承接，應鋪沙子。

原因:鋁熱反應的高温熔融物會與水反應生成氫氣，同時氫氣會被熔融物點燃發生爆炸。(熔融物會被炸得亂飛，十分危險。)

2.鋁熱反應時有時生成的液態金屬會噴濺而出，這主要是因為反應物粉末間有空隙，其中的空氣在反應中2000多度的高温下劇烈膨脹，吹出反應中生成的液態金屬。又因為加氯酸鉀後氯酸鉀分解產生大量氧氣氧化鎂條，這些氧氣在膨脹的同時又提高了反應中生成的液態金屬的温度，非常危險。所以嚴禁在鋁熱中混合大量氧化劑，也請勿加入會分解產生大量氣體的藥品。

3.經過實驗證明，鋁熱劑如果成分按比例正確混合均勻(可根據方程式計算:Al:Fe₂O₃=1:3(質量比)，體積比約為Al:Fe₂O₃=2:1，依照體積配比需要注意鋁粉與氧化鐵粉的蓬鬆程度，建議依照質量來配比,以保證比例的準確性。)，不需加氯酸鉀氧化也可觸發此反應，此時反應相當温和，甚至不會出現強光(鎂與氯酸鉀反應所致)，大大提高反應安全性。

4.配置好的鋁熱劑在儲存時，不應壓實。由於壓實後，即便是室温，鋁熱劑也會自發反應(發熱)，可能導致自我點燃，造成事故，故不應壓實。

鋁熱反應危險性極大，由於氧化鋁的生成焓低，必然造成大量高温熔融物噴濺，造成燒傷等嚴重後果。而且由於噴濺，有使其他人受傷的可能。

特別注意，不得使用氧化銅配置鋁熱劑，氧化銅與鋁粉反應時的温度可以使銅變為氣態，這是極其危險的。鋁熱劑如果用鐵氧化物時，建議使用四氧化三鐵，而不是氧化鐵。氧化鐵高温分解為四氧化三鐵和氧氣。遊離氧同樣十分危險由於以上種種危險性，建議一般人不要做此實驗。

鋁熱反應十分激烈，所以點燃後難以熄滅。若在鋼等其他金屬物上點燃，還會熔穿金屬物，加劇反應。故常被用於製作穿甲彈可以熔穿裝甲。

鋁熱反應過程中放出的熱可以使高熔點金屬熔化並流出，故鋁熱法廣泛運用於焊接搶險工程之中。另外，鋁熱法也是冶煉釩、鉻、錳等高熔點金屬的重要手段。

除此之外，其他的金屬單質與金屬氧化物混合之後點燃，也會發生強烈的氧化還原反應，效果類似於鋁熱反應。其中的金屬單質可以是鋁、鎂、鈣、鈦，或者是非金屬硼、硅，而金屬氧化物可以是三氧化二鉻、二氧化錳、氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅和四氧化三鉛或者是非金屬氧化物二氧化硅、三氧化二硼等。有時這些反應也根據反應中的還原劑而被稱為“鎂熱法”“硅熱法”“鈣熱法”“碳熱法”等等。(注:鋁-氧化銅的混合物點燃後會發生劇烈爆炸！)

鋁熱反應原理可以應用在生產上，例如焊接鋼軌、冶煉難熔金屬、製作傳統的煙火劑等。用某些金屬氧化物（如V₂O₅、Cr₂O₃、MnO₂等）代替氧化鐵，也可以做鋁熱劑。當鋁粉跟這些金屬氧化物反應時，產生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高温度下呈熔融狀態，跟形成的熔渣分離開來，從而獲得較純的金屬。在工業上常用這種方法冶煉難熔的金屬，如釩、鉻、錳等。 ^[1]