Thermit

Thermit
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Redoxreaktion		Schweißen

Einleitung

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte Hans Goldschmidt in Essen die technische Gewinnung von Schwermetallen aus ihren Oxiden durch die Oxidation von Aluminium. Thermit ist ein Gemisch aus Eisen(III)-oxid und Aluminium-Pulver. Dieser aluminothermische Vorgang wurde fortan „Goldschmidt“- oder Thermit-Prozeß genannt. Die Reaktion läuft in wenigen Sekunden unter starker Wärmeentwicklung ab. Eine wichtige technische Anwendung ist das Thermit-Schweißverfahren zum Schienenschweißen, einem einfachen und von äußerlichen Energiequellen unabhängigen Verfahren.

Chemische Reaktion

Die Thermitreaktion ist eine stark exotherme Redoxreaktion, bei der Aluminium als Reduktionsmittel benutzt wird, um Eisen(III)-oxid zu elementarem Eisen reduzieren. Das unedlere Aluminum wird dabei zum Aluminiumoxid oxidiert.
Als Reaktionsgleichung: Fe₂O₃ + Al2Fe + Al₂O₃

Gefahren

Die Ausgangsstoffe sind bei Raumtemperatur stabil, sie können sich entzünden, falls sie einer genügend großen Aktivierungsenergie ausgesetzt werden. Der Brennvorgang ist eine stark exotherme Reaktion (bis zu 2.500°C), Die Produkte werden somit aufgrund der erreichten Temperatur flüssig.

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

Löschversuche mit Wasser sowie Feuchtigkeit führen zur Dissoziation von Wasser und erzeugen Knallgas

2H₂O2H₂ + O₂

Anwendungen

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

Der Thermit-Prozeß läuft ab, wenn eine Mischung aus Eisenoxid und fein verteilten Aluminium in einem Tiegel zur Entzündung gebracht wird. Die entstehende chemische Reaktion (Umsetzung) liefert flüssiges Eisen und flüssige Aluminium-Schlacke (Korund), die beide eine Temperatur von 2.450°C haben. Das flüssige Eisen wird im Entstehungszustand durch Auflegierung zu Thermit-Stahl hoher Qualität veredelt der sich im unteren Teil des Tiegels sammelt. Die aluminothermische Schlacke schwimmt wegen ihres geringen Gewichtes auf dem Thermit-Stahl. Nach einer geringen Wartezeit nach Ablauf der Umsetzung wird der Tiegel abgestochen. Der flüssige Stahl wird hauptsächlich für das Schweißen von großen Werkstücken und besonders von Schienen verwendet.

Nach dem Einbringen der Bodenabdichtung in die Formhälften werden diese in die Haltebleche gelegt und mit dem Universalspanngerät mittig über der Schweißlücke mit den T-Schrauben angespannt. Nach der Beendigung der Umsetzung und nach Ablauf der Wartezeit kann der flüssige Thermit-Stahl über die Sandriegel laufen und verteilt sich von dort durch die Kanäle in die Formhohlräume, wo er die Randzonen der Schienen auflöst, sich mit diesem Stahl vermischt und durch die Erstarrung der Schienen verschweißt. Nach etwa 3-4 Minuten ist der Stahl in der Form erstarrt. Nach dieser Wartezeit werden die Formhaltebleche bei jeder Schienenform vorsichtig abgenommen. Zum Weiterlesen: die-zwei-hamburger

Abgrenzung

Das Thermitschweißen wird heute oft durch das effektivere Abbrennstumpfschweißverfahren ersetzt, welches jedoch einen höheren Geräteaufwand erfordert. Das Thermitverfahren hat nichts mit der Sauerstofflanze zu tun. Bei dieser erfolgt eine exotherme Eisen-Oxidation mithilfe von Sauerstoffgas.

Herstellung anderer Metalle

Die Redoxreaktion mit Aluminium kann auch verwendet werden, um andere Metalloxide oder –Erze, etwa Uranerz, Chromoxid,, Siliziumdioxid oder Manganoxid zu den Jeweiligen Metallen reduzieren.

Fragen

Fragebogen zu Thermit

1. Wer erfand die technische Gewinnung von Schwermetallen?

    a.	Dr. Geldschmidt
    b.	Dr. Goldschmidt
    c.	Dr. Thermit

2. Die Thermitreaktion ist eine

    a.	Reduktion
    b.	Oxidation
    c.	Redoxreaktion

3. Woraus besteht das Thermitgemisch

    a.	Aluminium-Pulver und Eisen(III)oxid
    b.	Aluminiumoxid und Eisenoxid
    c.	Aluminiumoxid und Eisen(III)pulver

4. Das Reduktionsmittel ist…

    a.	Aluminium
    b.	Eisen

5. Die Reaktionsprodukte sind…

    a.	elementares Aluminium und Eisenoxid
    b.	Aluminium und Eisen
    c.	Aluminumoxid und elementares Eisen 

6. Die Reaktion läuft stark…

    a.	exotherm an
    b.	exergon ab
    c.	endergon ab

7. Die Produkte werden aufgrund der Temperatur von bis zu 2.500°C

    a.	hart
    b.	gasförmig
    c.	flüssig

8. Das Thermitgemisch kann gelöst werden durch…

    a.	Sand 
    b.	Wasser
    c.	Es kann nicht gelöscht werden

9. Wie lautet die Reaktionsgleichung für den Thermit-Prozeß?

10. Wofür wird Thermit am häufigsten verwendet?

    a.	Silversterknaller
    b.	Schweißen von Bahngleisen
    c.	Sprengen von Häusern

Thermit Fragebogen mit Antworten

Versuch

Aluminothermisches Verfahren (Thermit)

Geräte

Schutzbrille, Schutzhandschuhe aus Leder, Blumentopf (Höhe 8-10 cm), Stativ, Ringklammer, feuerfeste Unterlage (Kachel) oder besser Schale mit Sand, Zange, Hammer, Magnet, Wage, Schale, zwei Wunderkerzen,Papier

Chemikalien:

Gut getrocknetes Eisen(III)-oxid, Aluminium-Grieß

Sicherheitshinweise:

Achtung: Die Chemikalien müssen völlig trocken sein, weil sonst die Mischung herausgeschleudert werden kann und es zu lebensgefährlichen Verbrennungen kommen kann! Der Versuch verläuft so heftig, daß es zum Herumspritzen von Eisenkügelchen kommen kann. (--> unbedingt im Abzug arbeiten) Deshalb Abstand halten (5 m). Kein brennbares Material in der Nähe (Gasschläuche fernhalten). Schutzbrille!

Unter den angegebenen Bedingungen (vor allem: kleines Reaktionsgefäß verwenden) kann der Versuch im Klassenraum durchgeführt werden. Auf keinen Fall aus der Nähe in den Topf hineinsehen! Die Mischung neigt nämlich auch noch Minuten nach dem Zündversuch zur Reaktion.

Versuchsanleitung:

Man wiege 20 g Eisenoxid (noch besser ein Gemisch aus Eisen(II/III)-oxid) und 7 g Aluminium ein und vermische beide sorgfältig. Diese Mischung ist verschlossen lange Zeit stabil. In den Blumentopf gibt man zum Abdecken des Wasserablaufs etwas Aluminiumfolie. Man stelle ein Papierrohr (Durchmesser etwa 1-2 cm) in die Mitte des Topfes und fülle außen herum Sand. Nun füllt man das Rohr mit dem Thermit-Gemisch. Unter den mittels Ringklammer befestigten Topf stellt man am Besten eine feuerfeste Schüssel, die mindestens 10 cm hoch mit Sand gefüllt ist. Zum Zünden nimmt man eine Wunder Kerze, die man in die Zündmischung steckt. Man zündet die andere Wunderkerze an und hält sie aneinander. Sobald die Reaktion beginnt sollte man einen Sicherheitsabstand von 5 m einhalten.

Man beobachtet eine heftige Reaktion mit Funkenbildung und großer Hitzeentwicklung (2000°C !). Aus dem Blumentopf tropft eine flüssige Masse in den Sand und bildet dort einen glühenden Regulus. Nach dem Abkühlen zerschlägt man den Regulus mit einem Hammer auf einer festen Unterlage, damit Schlacke und Eisen voneinander getrennt werden. Das Eisen kann mit einem Magneten identifiziert werden.

Weblinks

• Thermit als Google-Suchbegriff
• Thermit in der Wikipedia
• Thermit hier in bs-wiki.de mit Google
• Thermit als Youtube-Video

Video zum Thema Thermit auf Youtube

--Yvonne Weseloh 08:57, 25. Feb. 2008 (CET)