铝热反应

自蔓延

1895年，德国Goldschmidt发现了铝热反应的自蔓延特征。铝热反应的工业化应用是始于热剂焊焊接钢轨。这就是我国现正在使用的德国施密特公司的铝热焊产品的始创者。自20世纪60年代末，自蔓延高温合成(SHS)在原苏联形成个新学科以来，在各国已进行了大量研究并取得了很大发展

自蔓延高温合成技术是由前苏联科学家Merzhanoy和Borovinskaya在研究火箭固体推进剂燃烧问题时，实验过渡族金属和硼碳、氮等的反应时首次发现并提出来的，也被称作燃烧合成（CS）。其特点是利用外部提供必要的能量诱发放热化学反应体系局部发生化学反应（点燃），形成化学反应前沿（燃烧波），此后化学反应在自身放出热量的支持下继续进行，表现为燃烧波蔓延至整个反应体系，最后合成所需要材料（粉体或者固结体）。SHS已经形成一个独立的学科。本章中对铝热反应的最新研究成果进行了简单介绍SHS最突出的优点是：工艺简单，过程时间短；合成物污染少、纯度高；最大限度地利用材料的人工合成中的化学能节约能源；能集材料合成和烧结等多种工艺于一体。

从SHS被发现到20世纪80年代初，只有前苏联在不对外公布的状态下进行研究。前苏联科学院对SHS技术研究极为重视，专门从其科学院物理化学研究所分离出一个单位来研究，这就是后来知名的结构宏观动力学研究所。该研究所对SHS进行了全方位的研究，取得了奠基性的成果。进入90年代，尽管俄罗斯国家总体科研环境欠佳，但是他们在SHS领域研究的总体水平仍然居于世界前列。

前苏联对SHS理论的建立和SHS技术及其应用的发展做了大量的工作。在理论上，他们建立并发展SHS燃烧理论，又将其和材料科学结合起来，提出了结构宏观动力学理论，建立起SHS过程中的燃烧过程和材料结构形成间的关系；在应用方面，他们发展了一系列无机材料粉末合成与成型、致密化技术相结合的技术。

80年代以后，SHS传播到美国、日本、中国等国家，开始在世界范围内的发展。美国科学家在SHS基础研究方面的成果最为扎实，研究力量也最为强大。他们发展了新的燃烧模型和有机物的燃烧合成及非常规SHS技术。1

原理

铝热反应的原理，是铝单质在高温的条件下进行的一种氧化还原反应，体现出了铝的强还原性。由于氧化铝的生成焓（-1645kJ/mol）极低，故反应会放出巨大的热，甚至可以使生成的金属以熔融态出现。另一方面，反应放出大量热使铝熔化，反应在液相中进行使反应速率极快，短时间放出极大量的热。铝热反应的剧烈程度，由金属离子氧化性所决定。据估计，500克铝热剂（成分是氧化铁和铝）会在30秒内燃烧殆尽。

表达式：2yAl+3MxOy→yAl₂O₃+3xM(M为金属元素)

实验反应化学方程式:

氧化铁：2Al+Fe2O3→2Fe+Al₂O₃

四氧化三铁：8Al+3Fe3O4→9Fe+4Al₂O₃

二氧化锰：4Al+3MnO2→3Mn+2Al₂O₃

五氧化二钒：10Al+3V2O5→6V+5Al₂O₃

氧化铬：2Al+Cr2O3→2Cr+Al₂O₃

(铝热反应配平技巧：取反应物和生成物中氧化物中两边氧的最小公倍数，即可快速配平，如铝热法中，可取Fe₃O₄和Al₂O₃中氧的最小公倍数12，则Fe₃O₄前应为3，Al₂O₃前应为4，底下便可得到Al为8，Fe为9）

铝热反应

铝热化学反应是一个氧化还原的反应，利用还原金属（铝）和金属氧化物（氧化铁）铁合金和铁钉屑等按比例配成的铝热焊剂，放在特制的坩埚中，用高温火柴点燃，立即引起强烈的化学反应，在反应过程中铁（Fe）被还原出来，由于铁比重大沉于坩埚底部，铝氧化成氧化铝（Al2O3）熔渣较轻浮于上部，同时产生巨大的热量，高温的铝热钢水随即浇入扣在轨缝上的砂型中，将两轨端熔化，浇注金属本身又作为填充金属，将钢轨焊接起来各种金属对氧的化学亲和力大小各不相同，与氧亲和力较大的金属能够把与氧亲和力较小的金属从它的氧化物中还原出来。铝在足够高的温度下，与氧有很强的化学亲和力，它可以从很多重金属的氧化物中夺取氧，而把重金属还原出来，例如能把铁、钛、硅、锰、铬、钒、钨等还原出来，同时放出一定量的热量。为了获得优质的铝热钢，根据不同要求在铝热焊剂中可以加入石墨粉调整碳合量，加入一些合金元素，例如锰硅以及钛、钼等。1

铝热爆剂的反应过程和主要产物

在坩埚中的铝热焊剂经点燃立即进行化学反应，生成定量的铁，经加入合金元素，调整化学成分形成铝热钢，同时生成Al2O3熔渣和其他成分的组成物如MnO、FeO等进入熔渣中，反应在若干秒内完成，但反应完成后必须有定时间的停留（镇静时间），也就是在反应平静后适当时间才可打钉浇注，以保证反应完全和保证铝热钢中含有一定量的铝。铝热焊的主要反应产物为液态的铝热钢和熔渣。根据铝热焊主要化学反应式，从理论上计算纯铁和熔渣的产量，由于反应不能进行完全，而且在熔渣中也夹杂着铁，所以实际上，铁的生成量低于计算值熔渣的主要成分为Al2O3，合有少量的氧化铁、氧化锰以及硅酸物。氧化铁可以使熔渣呈黑色，氧化锰使熔渣呈褐色，正常的铝热钢的熔渣是棕褐色。

铝热反应温度

某金属与氧的亲和力大，这就是说该金属在燃烧时的生成热较大，例如铝与氧的亲和力较铁与氧的亲和力要大，这是因为燃烧生成热较大，因此氧原子由结合中放出铁而让位给铝铝热化学反应由于放出大量的热，因此使熔渣和钢液的温度提高到很高的温度，根据文献记载，这一温度可达2500℃~3500℃。焊接实际需要出发，可以加入适量的添加剂，一方面使钢液温度降至2000℃~2100℃左右，同时也使钢的生成率增加。

操作流程

1.将氧化铁和铝粉按照体积比3:2混合均匀制成铝热剂，装入容器内

2.取少量氯酸钾充分研碎，撒到铝热剂顶部

3.取一根10cm左右的镁条，用砂纸打磨干净，插入铝热剂顶部

4.引燃镁条，戴好墨镜，以防闪光伤眼。

5.在铝热剂下放一些废铁，可以被铝热剂燃烧时产生大量的热量熔化，变成炙热、亮黄色的铁水，非常壮观。注意安全。

实验现象：镁条剧烈燃烧，放出大量热能，使氧化铁粉末和铝粉在高温下发生剧烈的氧化还原反应。最终生成液态的铁和氧化铝。

注意事项

铝热反应有一定的危险性，不允许在家里或房间里做该实验，否则容易造成高度化学烫伤及严重化学爆炸等事故。如果对铝热感兴趣，可以选择室外或者安全的有防火措施的房间进行实验，并建议用四氧化三铁作为金属氧化物，并严格控制反应物量的大小，建议铝粉可稍微过量，以使金属氧化物完全反应。在使用镁条时请注意，镁条必须打磨光亮或酸洗以除掉氧化膜，并且要10厘米左右，太短热量不够，太长燃烧时间太长，并造成浪费。不能在承接容器中加水，否则金属会与水反应生成氢气发生爆炸或者使水迅速沸腾导致液态金属飞溅。切忌在反应物附近放可燃物，易燃物或玻璃等易爆物品。当用氯酸钾作氧化剂时，切不可加大剂量，否则会引起气体剧烈膨胀引起物理爆炸以及铝粉与氯酸钾剧烈反应产生化学爆炸，在点燃反应物之前，先撤离周围人员，并保持一段距离（十五米以上）。

在点燃镁带时，可使用防风打火机，喷火枪或酒精灯。发现镁条逐渐变黑和闪火星时，说明镁条已经吸收了够多的热量，马上要燃烧了，这时要继续加热，并准备撤离。点燃镁带后，要赶快离至适合的距离，实验者必须戴墨镜或防强光的设备观察实验现象，以防止被铝热反应的强光灼伤眼睛。绝对不允许在反应物旁观察反应现象。反应时，会有900～1500℃的高温的金属熔融物喷出，这时要隔离周围人员，不得靠近。反应结束后，切不可用水浇灭，要等其自然冷却。

进行反应时，容易生成剧烈反应的金属氧化物，如二氧化锰等，建议不要用相机进行拍摄，如需拍摄分析，最好用耐强光的镜头，或在镜头上装上黑色胶片等。3

安全提示

1.在冰块上进行铝热反应会发生爆炸

不可用水作为介质承接，应铺沙子。

原因:铝热反应的高温熔融物会与水反应生成氢气，同时氢气会被熔融物点燃发生爆炸。(熔融物会被炸得乱飞，十分危险。)

2.铝热反应时有时生成的液态金属会喷溅而出，这主要是因为反应物粉末间有空隙，其中的空气在反应中2000多度的高温下剧烈膨胀，吹出反应中生成的液态金属。又因为加氯酸钾后氯酸钾分解产生大量氧气氧化镁条，这些氧气在膨胀的同时又提高了反应中生成的液态金属的温度，非常危险。所以严禁在铝热中混合大量氧化剂，也请勿加入会分解产生大量气体的药品。

3.经过实验证明，铝热剂如果成分按比例正确混合均匀(可根据方程式计算:Al:Fe₂O₃=1:3(质量比)，体积比约为Al:Fe₂O₃=2:1，依照体积配比需要注意铝粉与氧化铁粉的蓬松程度，建议依照质量来配比,以保证比例的准确性。)，不需加氯酸钾氧化也可触发此反应，此时反应相当温和，甚至不会出现强光(镁与氯酸钾反应所致)，大大提高反应安全性。

4.配置好的铝热剂在储存时，不应压实。由于压实后，即便是室温，铝热剂也会自发反应(发热)，可能导致自我点燃，造成事故，故不应压实。

提醒

铝热反应危险性极大，由于氧化铝的生成焓低，必然造成大量高温熔融物喷溅，造成烧伤等严重后果。而且由于喷溅，有使其他人受伤的可能。

特别注意，不得使用氧化铜配置铝热剂，氧化铜与铝粉反应时的温度可以使铜变为气态，这是极其危险的。铝热剂如果用铁氧化物时，建议使用四氧化三铁，而不是氧化铁。氧化铁高温分解为四氧化三铁和氧气。游离氧同样十分危险由于以上种种危险性，建议一般人不要做此实验。

用途

铝热反应十分激烈，所以点燃后难以熄灭。若在钢等其他金属物上点燃，还会熔穿金属物，加剧反应。故常被用于制作穿甲弹可以熔穿装甲。

铝热反应过程中放出的热可以使高熔点金属熔化并流出，故铝热法广泛运用于焊接抢险工程之中。另外，铝热法也是冶炼钒、铬、锰等高熔点金属的重要手段。

除此之外，其他的金属单质与金属氧化物混合之后点燃，也会发生强烈的氧化还原反应，效果类似于铝热反应。其中的金属单质可以是铝、镁、钙、钛，或者是非金属硼、硅，而金属氧化物可以是三氧化二铬、二氧化锰、氧化亚铁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化铜和四氧化三铅或者是非金属氧化物二氧化硅、三氧化二硼等。有时这些反应也根据反应中的还原剂而被称为“镁热法”“硅热法”“钙热法”“碳热法”等等。(注:铝-氧化铜的混合物点燃后会发生剧烈爆炸！)

铝热反应原理可以应用在生产上，例如焊接钢轨、冶炼难熔金属、制作传统的烟火剂等。用某些金属氧化物（如V2O5、Cr2O3、MnO2等）代替氧化铁，也可以做铝热剂。当铝粉跟这些金属氧化物反应时，产生足够的热量，使被还原的金属在较高温度下呈熔融状态，跟形成的熔渣分离开来，从而获得较纯的金属。在工业上常用这种方法冶炼难熔的金属，如钒、铬、锰等。1