鋁熱反應(yīng)原理

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

表達式：2yAl 3M_xO_y→yAl?O? 3xM(M為金屬元素)

實驗反應(yīng)化學方程式:

氧化鐵：2Al Fe₂O₃→2Fe Al?O?

四氧化三鐵：8Al 3Fe₃O₄→9Fe 4Al?O?

二氧化錳：4Al 3MnO₂→3Mn 2Al?O?

五氧化二釩：10Al 3V₂O₅→6V 5Al?O?

氧化鉻：2Al Cr₂O₃→2Cr Al?O?

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

1895年，德國Go ldschm idt發(fā)現(xiàn)了鋁熱反應(yīng)的自蔓延特征。鋁熱反應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用是始于熱劑焊焊接鋼軌。這就是我國現(xiàn)正在使用的德國施密特公司的鋁熱焊產(chǎn)品的始創(chuàng)者。自20世紀60年代末，自蔓延高溫合成(SHS)在原蘇聯(lián)形成個新學科以來，在各國已進行了大量研究并取得了很大發(fā)展

自蔓延高溫合成技術(shù)是由前蘇聯(lián)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(yīng)時首次發(fā)現(xiàn)并提出來的，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(fā)放熱化學反應(yīng)體系局部發(fā)生化學反應(yīng)（點燃），形成化學反映前沿（燃燒波），此后化學反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進行，表現(xiàn)為燃燒波蔓延至整個反應(yīng)體系，最后合成所需要材料（粉體或者固結(jié)體）。SHS已經(jīng)形成一個獨立的學科。本章中對鋁熱反應(yīng)的最新研究成果進行了簡單介紹SHS最突出的優(yōu)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(jié)約能源；能集材料合成和燒結(jié)等多種工藝于一體。

從SHS被發(fā)現(xiàn)到20世紀80年代初，只有前蘇聯(lián)在不對外公布的狀態(tài)下進行研究。前蘇聯(lián)科學院對SHS技術(shù)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，這就是后來知名的結(jié)構(gòu)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，盡管俄羅斯國家總體科研環(huán)境欠佳，但是他們在SHS領(lǐng)域研究的總體水平仍然居于世界前列。

前蘇聯(lián)對SHS理論的建立和SHS技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展做了大量的工作。在理論上，他們建立并發(fā)展SHS燃燒理論，又將其和材料科學結(jié)合起來，提出了結(jié)構(gòu)宏觀動力學理論，建立起SHS過程中的燃燒過程和材料結(jié)構(gòu)形成間的關(guān)系；在應(yīng)用方面，他們發(fā)展了一系列無機材料粉末合成與成型、致密化技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。

80年代以后，SHS傳播到美國、日本、中國等國家，開始在世界范圍內(nèi)的發(fā)展。美國科學家在SHS基礎(chǔ)研究方面的成果最為扎實，研究力量也最為強大。他們發(fā)展了新的燃燒模型和有機物的燃燒合成及非常規(guī)SHS技術(shù)。

鋁熱化學反應(yīng)是一個氧化還原的反應(yīng)，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，放在特制的坩堝中，用高溫火柴點燃，立即引起強烈的化學反應(yīng)，在反應(yīng)過程中鐵（Fe）被還原出來，由于鐵比重大沉于坩堝底部，鋁氧化成氧化鋁（Al₂O₃）熔渣較輕浮于上部，同時產(chǎn)生巨大的熱量，高溫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。鋁在足夠高的溫度下，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(yōu)質(zhì)的鋁熱鋼，根據(jù)不同要求在鋁熱焊劑中可以加入石墨粉調(diào)整碳合量，加入一些合金元素，例如錳硅以及鈦、鉬等。

鋁熱反應(yīng)鋁熱爆劑的反應(yīng)過程和主要產(chǎn)物

在坩堝中的鋁熱焊劑經(jīng)點燃立即進行化學反應(yīng)，生成定量的鐵，經(jīng)加入合金元素，調(diào)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(yīng)在若干秒內(nèi)完成，但反應(yīng)完成后必須有定時間的停留（鎮(zhèn)靜時間），也就是在反應(yīng)平靜后適當時間才可打釘澆注，以保證反應(yīng)完全和保證鋁熱鋼中含有一定量的鋁。鋁熱焊的主要反應(yīng)產(chǎn)物為液態(tài)的鋁熱鋼和熔渣。根據(jù)鋁熱焊主要化學反應(yīng)式，從理論上計算純鐵和熔渣的產(chǎn)量，由于反應(yīng)不能進行完全，而且在熔渣中也夾雜著鐵，所以實際上，鐵的生成量低于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(yīng)鋁熱反應(yīng)溫度

某金屬與氧的親和力大，這就是說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(jié)合中放出鐵而讓位給鋁鋁熱化學反應(yīng)由于放出大量的熱，因此使熔渣和鋼液的溫度提高到很高的溫度，根據(jù)文獻記載，這一溫度可達2500℃~3500℃。焊接實際需要出發(fā)，可以加入適量的添加劑，一方面使鋼液溫度降至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混合均勻制成鋁熱劑，裝入容器內(nèi)

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，用砂紙打磨干凈，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(chǎn)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(xiàn)象：鎂條劇烈燃燒，放出大量熱能，使氧化鐵粉末和鋁粉在高溫下發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)。最終生成液態(tài)的鐵和氧化鋁。

鋁熱反應(yīng)有一定的危險性，不允許在家里或房間里做該實驗，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，并建議用四氧化三鐵作為金屬氧化物，并嚴格控制反應(yīng)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(yīng)。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，并且要10厘米左右，太短熱量不夠，太長燃燒時間太長，并造成浪費。不能在承接容器中加水，否則金屬會與水反應(yīng)生成氫氣發(fā)生爆炸或者使水迅速沸騰導(dǎo)致液態(tài)金屬飛濺。切忌在反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生化學爆炸，在點燃反應(yīng)物之前，先撤離周圍人員，并保持一段距離（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(fā)現(xiàn)鎂條逐漸變黑和閃火星時，說明鎂條已經(jīng)吸收了夠多的熱量，馬上要燃燒了，這時要繼續(xù)加熱，并準備撤離。點燃鎂帶后，要趕快離至適合的距離，實驗者必須戴墨鏡或防強光的設(shè)備觀察實驗現(xiàn)象，以防止被鋁熱反應(yīng)的強光灼傷眼睛。絕對不允許在反應(yīng)物旁觀察反應(yīng)現(xiàn)象。反應(yīng)時，會有900～1500℃的高溫的金屬熔融物噴出，這時要隔離周圍人員，不得靠近。反應(yīng)結(jié)束后，切不可用水澆滅，要等其自然冷卻。

進行反應(yīng)時，容易生成劇烈反應(yīng)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。

鋁熱反應(yīng)危險性極大，由于氧化鋁的生成焓低，必然造成大量高溫熔融物噴濺，造成燒傷等嚴重后果。而且由于噴濺，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(yīng)時的溫度可以使銅變?yōu)闅鈶B(tài)，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。氧化鐵高溫分解為四氧化三鐵和氧氣。游離氧同樣十分危險由于以上種種危險性，建議一般人不要做此實驗。

鋁熱反應(yīng)十分激烈，所以點燃后難以熄滅。若在鋼等其他金屬物上點燃，還會熔穿金屬物，加劇反應(yīng)。故常被用于制作穿甲彈可以熔穿裝甲。

鋁熱反應(yīng)過程中放出的熱可以使高熔點金屬熔化并流出，故鋁熱法廣泛運用于焊接搶險工程之中。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(zhì)與金屬氧化物混合之后點燃，也會發(fā)生強烈的氧化還原反應(yīng)，效果類似于鋁熱反應(yīng)。其中的金屬單質(zhì)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(yīng)也根據(jù)反應(yīng)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后會發(fā)生劇烈爆炸！)

鋁熱反應(yīng)原理可以應(yīng)用在生產(chǎn)上，例如焊接鋼軌、冶煉難熔金屬、制作傳統(tǒng)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(yīng)時，產(chǎn)生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高溫度下呈熔融狀態(tài)，跟形成的熔渣分離開來，從而獲得較純的金屬。在工業(yè)上常用這種方法冶煉難熔的金屬，如釩、鉻、錳等。

鋁熱反應(yīng)是鋁與某些金屬氧化物（如Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5等）在高溫條件下發(fā)生的置換反應(yīng)。

1）2Al Fe2O3→Al2O3 2Fe；

2）8Al 3Fe3O4→4Al2O3 9Fe；

3）4Al 3MnO2→2Al2O3 3Mn 。