Что такое термит (термитная смесь)? [Veritasium]

Это первое видео из серии, посвященной химической реакции, которую открыли больше 125 лет назад. При ней выделяется невероятное количество тепла. О нет, наш GoPro! Ей можно плавить металл так горячо и устроить взрыв безо всяких взрывчатых веществ. С ума сойти! Реактивы настолько инертны, что им абсолютно не страшно пламя пропановой горелки. Думаете, мне это все прямо в лицо полыхнет? Когда в Голливуде понадобилось показать ядерный взрыв, нужного эффекта помогла достичь именно эта реакция. Но уже больше ста лет гораздо популярнее другое ее применение. Благодаря ей огромное количество людей путешествует на большие расстояния. В конце 19 века Карл Гольдшмидт и его младший брат Ганс готовились занять свое место в семейном бизнесе. Их отец владел химической фабрикой, на которой изготавливали краски для тканей. Братья изучали химию под руководством Роберта Бунзена, изобретателя лабораторной горелки. После смерти отца заведовать фабрикой взялся Карл, а позже к нему присоединился и младший брат. Среди своих первых значительных исследовательских интересов, одной из важнейших задач Ганс считал поиск способа получать чистые металлы. Они нужны, чтобы делать краски для всего, от одежды, из катертей до обоев. В те времена хорошую краску найти было сложно, большинство были тусклыми и быстро выцветали. Для изготовления некоторых требовалось много экзотических насекомых. Сейчас яркие ткани кажутся нам само собой разумеющимися, но в грязно-коричневом мире того времени люди были готовы много платить за насыщенный цвет. Один такой цвет зелень Шелли получали благодаря гидроарсениту меди, в который входил мышь яг. Пигмент был токсичный, но вот насколько — это вопрос. И все же к концу девятнадцатого века именно эта краска стала основной среди зеленых. Такой насыщенный цвет давала только она. Красный цвет британской армейской формы получали, смешивая сушеную тлю из Центральной Америки с оловом, благодаря которому краска темнела и приобретала более густой оттенок. В общем, спрос на чистые металлы был высок. Тогда металлы умели очищать с помощью растворов, обрабатывали кислотами и тому подобным. Содержащий цианид состав растворяет частички золота, которые остались после амальгамирования, что помогает процессу. Затем надо поработать с солями, очистить их, а потом восстановить до металлов. В этом процессе на каждом шагу новые проблемы. При восстановлении в печи выделяются продукты горения, происходит загрязнение углеродом. К тому же металлы сложно отделять друг от друга. Так получаются смешанные кристаллы. Вроде как сплав. Да, именно так. В каком-то смысле они превращаются в твердый раствор со своей температурой и отделять их приходится поэтапно. Гансу пришла в голову новая по тем временам идея. Он надеялся, что при реакции оксида, например оксида хрома с металлическим алюминием, кислород поменяет партнера и перескочит с одного металла на другой, что даст оксид алюминия и чистый хром. Сейчас такие реакции называют алюма-термическими или просто термитными. Я отправился в Германию в гости к компании Электро-Термит. Это прямая наследница предприятия Гольдшмиттов. Мне устроили экскурсию, как будто я Чарли на шоколадной фабрике. Только здесь делают термитные смеси. Мы попробуем воспроизвести первый успешный опыт Ганса. Все эксперименты видео проводятся под наблюдением специалистов и с необходимыми мерами безопасности. Оригинальный эксперимент проводился с хромом, но у нас будет медь, в принципе сойдет. Это получается 300 граммов? Да, 300 граммов термитной смеси. Засыпаю? Да, можно. Помещаем смесь в такой вот тигель и поджигаем. Погнали. Всё? Ага. Нет, пусть лежит. Отходим. Прямо как фейерверк. Смотрится впечатляюще. Ну, Ганс наверняка очень удивился, когда это увидел. Горстка алюминиевого порошка, и вот что происходит. Как видите, в ходе реакции выделяется много энергии. Температура алюма термической реакции обычно выше 2000 градусов Цельсия, а иногда доходит и до 2500. Это из-за того, что алюминия образует с кислородом очень сильные связи. Когда они формируются, выделяется огромное количество энергии. Гораздо больше, чем уходит на то, чтобы оторвать кислород от меди. Эта энергия плавит все продукты реакции и нагревает их до невероятных температур. Сложно словами объяснить, насколько ярко светит. Ощущения такие, будто смотришь на солнце. Если заметили в видео пересвет, то это из-за того, что мы часто промахивались, когда выставляли экспозицию. Реакция была ярче, чем мы ожидали. Там внизу что-то капает. Это медь? Да, там расплавленная медь, ну и все остальное, что получилось. Но если в результате реакции получается смесь из чистого металла и оксида алюминия, как нам их отделить друг от друга? Мы хотим провести эксперимент, который раньше никто не видел. Он, по сути, позволит нам заглянуть внутрь Тигеля. Мы разрезали емкость и прикрепили к одной половине два листа термостойкого стекла, каждой толщиной 4 миллиметра. Это наше окно в термитную реакцию. Нам говорили, что это невозможно, что мы ничего не увидим, или что стекло треснет. Под съемку мы такого никогда не делали и никогда не видели ее вот так, напрямую. Думаю, будет очень интересно. Мы получим массу материала, который поможет разобраться в том, что там происходит. Стекло изготовили особым образом, чтобы оно не сразу раскололось от контакта с расплавленным металлом. О, как горячо! Очень горячо! Но температура плавления диоксида кремния всего около 1700 градусов Цельсия. Это, очевидно, меньше температуры реакции. Поэтому стекло неизбежно будет плавиться. Мы надеемся на то, что не слишком быстро. Стекло будет плавиться, так что в конце, вероятно, останется только тонкий слой. Поджигать будете вы, эта часть опыта зависит от вас. Мне кажется, это стоит доверить кому-нибудь еще. Давайте подожжет кто-нибудь другой. Почему? Потому что я себе не доверяю. Вчера я это уже делал, и все видели, что получилось у меня из рук вон плохо. Готовы? Нет, пусть лежит, отходим. Для реакции мы возьмем стандартную термитную смесь. Оксиды железа и алюминий. Так, хорошо, давайте начинать. Ого! О нет, наш GoPro! О боже! О нет! Вот и нет у нас больше GoPro. Реакция начинается от запала и распространяется во всех направлениях. Похоже на то, как расползаются муравьи или плесень. В общем, на вид напоминает что-то органическое. Как будто пульсирует. Пум-пум-пум. Как что-то живое. Да, по-моему, тоже. А откуда это пульсация? Не знаю. Ну ладно. Но мы попробуем выяснить. Мы не знали, что оно так делает. Мы этим занимаемся уже сто лет, и вот впервые видим, что во время реакции происходит нечто подобное. А может быть, что пульсация появляется из-за газа, который выходит наверх? То есть газ нагревается, выстреливает и освобождает какое-то пространство. Мне кажется, вот здесь как раз это видно. О, как горячо! Очень горячо! Мне хотелось рассмотреть получше, поэтому я попросил положить термитную смесь на стекло и попытался снять реакцию специальным макрообъективом. Я готов. Хорошо, пишем. Пишет, пишет, пишет, пишет. Пошел, пошел, пошел, пошел. Видно довольно неплохо. О боже, невероятно. Я думаю, мы первые, кто с такого близкого расстояния снял термитную реакцию. Как видите, она идет вспышками. Сначала что-то происходит, потом процесс затихает, а потом снова следует вспышка. Мне убрать? Да, конечно. Да, забирайте, забирайте, забирайте, забирайте. Ничего себе. У меня есть два предположения о том, почему так происходит. Первое, термитная смесь состоит из гранул, довольно крупных частиц алюминия и оксида железа, и скорость реакции зависит от их соотношения. Возможно, она затухает там, где одного из реагентов слишком много, и требуется время, чтобы смесь нагрелась и вспыхнула следующая область. Вторая моя догадка в том, что пространство между гранулами заполнено воздухом. Во время горения он нагревается и расширяется, увеличивая давление на гранулы, и расталкивает те, которые еще не вступили в реакцию, в стороны. А когда воздух вырывается наружу, смесь загорается. Как только вся смесь прореагирует, ситуация накаляется еще больше. Расплавленный металл начинает разбрызгиваться во все стороны, а жидкость внутри тигеля бурлит. Причиной может служить то, что какая-то часть вещества закипает и превращается из жидкости в газ. Да, звучит дико, как так, металл закипает. Но алюминию для этого нужно около 2500 градусов Цельсия. Железо закипает при температуре около 2800, а у некоторых составляющих смеси, например, у Марганца, температура кипения еще ниже около 2000 градусов. Когда кипение прекращается, жидкость опадает. Тут происходит то, что позволяет получить чистый металл. По плотности жидкое железо больше, чем в два раза превосходит жидкий оксид алюминия. Поэтому оно опускается, а оксид алюминия оказывается на поверхности. Когда расплавленный металл начинает выливаться из отверстия в дне тигля, первым идет железо. И только потом из емкости вытекает шлаг оксид алюминия. Кстати, этот момент даже видно в процессе. Железо по вязкости напоминает воду и разбрызгивается. А теперь, обратите внимание, пошел шлаг. Да, он вытекает как вязкая жидкость. Да, очень-очень здорово. Ого. Похоже на теплый мед. Да, очень заметно. О, да. Это отличный ракурс для съемки. Видно, как идет фронт горения. И камера жива. Посмотрите, стекло пузырится. Видите пузырьки? А вот фрагмент, где железо вытекает. По-моему, если учесть, что камера горела, получилось отлично. Положим на дно камешек. Это обычная плитка для тротуара. Она из известняка. Сверху засыпем термитную смесь, а потом подожжем. И поскольку камень менее плотный, он всплывет на поверхность. Да. Ой. Так, хорошо. Кажется, он разламывается. Неплохая такая плошка лавы. Видели? О, да. Обычные камни так же, как и шлак, всплывают на поверхность. А более тяжелые материалы идут ко дну. Это и есть секрет эффективного очищения металлов в Тигре. Итак, Ганс Гольдшмидт придумал, как очищать такие металлы, как хром, медь и железо. Это, конечно, полезно для химии и производства красок, но Ганс подозревал, что его методу найдется применение и в других областях. В 1895 он получил патент и изложил детали своей разработки для публикации. Он отмечал, процесс, который здесь описан, настолько удивительно прост в своей основе, что я вряд ли уделял бы время тому, чтобы его описать, если бы он не давал удивительных, выдающихся результатов. Это было готовое решение для проблем, которые только предстояло найти. И вот одна из первых — сварка металлических деталей без специального оборудования. Когда была необходимость надёжно сварить металлические элементы, но делать это приходилось там, куда сложно доставлять тонны нужного оборудования, термитные реакции пришлись как нельзя кстати. Пожалуй, раньше остальных к этому способу обратились транспортные компании. Если вдруг у корабля посреди океана ломалась штанга, в те времена это была трагедия, а термитная реакция позволяла исправить поломку, чтобы хотя бы дотянуть до дома, что очень полезно. Ещё эта реакция давала возможность, например, залатать трещины в двигателе в очень неудобных условиях, потому что всего-то и нужно было два человека и ведро. Конечно, в таких случаях применялась не чистая железо, а сталь. Этого добивались за счёт добавления в термитную смесь углерода и других веществ, подходящих для сплава. Чистое железо никому не нужно. Само по себе оно бесполезное. Это очень мягкий металл, который моментально ржавеет даже при сухом воздухе. Ну и где же его применять? Железо нужно с углеродом. Да, именно так. В железо надо добавлять углерод, а это уже сталь. Так что большинство производимых сегодня термитных смесей стали образующие. Можно сказать, что это мобильный сталилитейный заводик, который можно взять куда угодно. Когда закончилась холодная война, с помощью термита утилизировали танки. Помещали порцию термита прямо в дуло. И поджигали. Ствол заваривался, и всё, танком уже не воспользуешься. Самое разное оружие, от которого надо было избавиться, уничтожалось именно таким способом. Потому что это очень быстро и очень безопасно. И эффективно. Да, эффективно. После термитной смеси оружию однозначно конец. Сейчас с помощью тепла, который выделяется при алюматермических реакциях, уничтожают информацию. После определенного значения температуры, так называемой точки Кюри, магниты теряют свои свойства. А значит информацию, которая хранится на магнитных жестких дисках, если их достаточно сильно нагреть, восстановить будет нельзя. Это совсем не похоже на термитную смесь, которую мы уже видели. Да. Тогда это был скорее порошок. Это тоже порошок, просто формованный. Можно потрогать? Да. Похоже на самую обычную плитку. Да, кладите аккуратно. Ого! Вот это да! Очень здорово. Итак, чтобы никто не смог извлечь информацию с жёсткого диска, нужно положить ноутбук сверху. Да. Ну, кладём. Реакция в тигле даёт высокую температуру, но происходит быстро. Тут гореть будет минут десять, и информации не останется. То есть вы специально сделали смесь, которая будет гореть медленнее? Да. Температура чуть ниже, и процесс идёт медленнее. Я подожгу плитку из термитной смеси со всех четырёх углов. Около десяти минут она будет выделять тепло, а потом посмотрим, что случилось с этим ноутбуком. Ну что ж, будем поджигать? Ух! Мне нравится! Видите, как расползается? О-о-о! А эффект совершенно другой. Ух ты! Становится жарковато. Подбирается к ноутбуку. Очень здорово. Вы только посмотрите, какая чудесная жижа вытекает из-под ноутбука. Просто дичь! Казалось бы, мы уже столько всего интересного видели из термитной смеси, но тут всё совсем по-другому. Вы посмотрите, там лужа жидкого металла! Да, из этого ноутбука уже никто ничего не извлечёт. Обалденно! Не ожидал, что весь логотип зальёт. Можно поднять? Конечно! Наверное, учитывая, сколько энергии выделяется при реакции, вы уже подумали о том, что ей можно что-нибудь взорвать. Но на самом деле для этих целей она не подходит. Что особенно интересно и важно, контролировать эту реакцию очень просто. Когда дело касается взрывов, мы можем рассчитать энергию. Да, вот столько мегаджоулей мы получим, но за какое время? Может, термит не взрывается отчасти потому, что взрыв — это обычная реакция твёрдых веществ, в процессе которой выделяется газ, и он расширяется под давлением. А в термитных реакциях у нас только твёрдые вещества. Твёрдые и жидкие? Твёрдые и жидкие, да. И поэтому реакцию можно контролировать? Ощущение, как будто я под солнцем обгорел. Возможность контроля позволяет сносить постройки в условиях, когда обычную взрывчатку использовать опасно. В 1933-м, через месяц после того, как Адольф Гитлер стал канцлером Германии, в Берлине подожгли здание Рейхстага. Восстановили его только через 24 года. Стальной свод повредился слишком сильно, и его надо было снять. Обычная взрывчатка необратимо разрушила бы и часть здания. Поэтому 22 ноября 1957-го куполу прикрепили заряды с термитной смесью, подожгли, и своды аккуратно осыпались на ползала пленарных заседаний. После этого, наконец, завершили реставрацию. Подобные задачи отлично подходят для термитных реакций, именно потому, что они хорошо поддаются контролю. Реагенты просчитывают настолько тщательно, что поджечь смесь можно даже в закрытом помещении и не бояться, что всё вокруг забрызгает расплавленным металлом. В этой смеси есть фрагменты чистой стали. Они не участвуют в реакции, но при плавлении поглощают тепло. Так контролируют скорость процесса и лимиты температуры. Да, вот так. Отлично. Правда? Так я же не попал. Ничего себе. Ого! Интересно, что если смотреть через тёмные очки, то похоже на кукурузный маффин или что-то вроде того. Важный для контроля над реакцией параметр — это через какое время после запуска реакции металл начнёт вытекать. Этот отрезок называют временем излития. Знать его очень важно, потому что если времени окажется мало, то металл в тигле не успеет отделиться от шлака. А если слишком много, то температура успеет оплавиться стенки тигля, да и сплав окажется холоднее, чем мог бы быть. Химический состав стали будет меняться в зависимости от времени. В течение реакции. Да, в течение всего процесса. И поэтому нам очень важно иметь возможность контролировать, сколько пройдёт времени. Нужно, чтобы время излития было ровно таким, как надо. Мы организовали ещё один эксперимент. Будем проверять, получится ли у нас точно рассчитать время до того, как сталь начнёт выливаться. По нашим оценкам, сначала это произойдёт здесь, потом здесь, потом там. Сейчас мы одновременно подожжём смесь во всех трёх ёмкостях и посмотрим, что будет. Готовы? Три, два, один. Отлично! Все три зажглись практически в один и тот же момент. Время излития в первом тигле? Первый есть! Оказалось, самое маленькое. Второй. Здорово будет, если как только из второго всё вытечет, польётся из третьего. Это, конечно, будет просто феерично. Ну давай, третий! Есть! Отлично, замечательно! Ещё одна характеристика, которой можно управлять, — это температура металла. Здесь два состава. В одном инертного наполнителя 12%, а здесь 25%. Иногда нужно, чтобы металл получился чуть горячее или чуть холоднее. Отлично. Тщательно контролируемое возгорание. Вот тут полыхает гораздо сильнее. Видно, что 12-процентный первый потёк. Можно увидеть, что в этом всё начинается быстрее. Ну то есть разницу видно, но такое ощущение, что в обоих температура дошла до 2000 градусов. Ну, мне так кажется. Тот, что справа, в нём смесь чище, а во втором слева больше наполнителя. Можно было бы сделать разницу в температуре заметнее. Притом в любом направлении. Немного выше или, наоборот, гораздо ниже. Реакцию научились контролировать за счёт того, что тщательно просчитывают состав термитной смеси. Вот самый первый этап создания термита. Раз или два в день сюда приезжает грузовик и сгружает вот это. Это окалина. По сути, смесь различных оксидов железа. Когда прокатывают горячую сталь, поверхность у неё очень легко реагирует. Потому что она сильно нагрета. И воды в этом процессе много. Ей охлаждают прокатный волок. Из-за этого поверхность стали очень быстро окисляется. Отсюда и берётся окалина. А потом её смывают водой через сопла. В производстве стали это бесполезные отходы. Ух ты! Да, вот оно. Обалдеть! Затем окалина поступает сюда. Её сушат. Потому что термитная смесь и вода между собой не дружат. А окалину нужно высушить как можно лучше. А потом не намочить. И вот как мы её сушим. Оксид железа встряхивают. И он постепенно поднимается по спирали до самого верха. А там частички разделяются по размеру и составу. Только потом их смешивают с алюминиевым порошком. Предполагаю, что это всё тоже надо тщательно высушивать. Здесь это как раз не обязательно. Потому что в процессе производства вода не задействуется. А вот там, где оксид железа... Да, окалин уже водой смывает. Приходится тщательно проверять реагенты. Все реагенты. Это, напомню, оксиды железа и алюминий. Чтобы точно понимать, как и у какой смеси будет протекать реакция. Так мы получаем тот результат, который нам нужен. И определённые свойства стали. Вы здесь часто используете слово «порция». Да, порция. Мы это так называем. Это, ну, один мешочек смеси. Здесь съёмка видео запрещена. Ох уж этот Дерек, вечно против правил. Итак, порции расфасованы по отдельным упаковкам и хранятся на складе. Это наш склад. Правда, только один из многих. И, кстати, даже не самый большой. А можно задать вам один вопрос? Вчера мы видели, сколько энергии выделяется при алюма-термической реакции. На этом складе просто огромное количество термитной смеси. Так вот, мой вопрос. А это не опасно? И это очень разумный вопрос. Вполне разумный. Мне продемонстрировали, насколько термитная смесь безопасна в обращении. Сказали поджечь полное ведро смеси, и какими только способами я её не поджигал. И я был не совсем уверен, что это такая уж хорошая идея. А вы мне не поможете поджечь? А где Кристоф? Ты так уже делал? Я — нет. Что ж, в таком случае я бы предложил вам кое-какое защитное снаряжение. Я на 95% уверен, что ничего не загорится. Так, несите защиту. Это один к двадцати? То есть вот так всё обернулось, да? Это огнеупорный костюм. Если что, мы хотя бы всё снимаем. Так, начинаем с зажигалки. Хорошо, сейчас попробуем. Посмотрим, загорится или нет. Три, два, один. Ну, какие-то гранулы в смеси я довольно сильно нагрел, и они даже поблёскивают оранжевым. О-о-о, светят ярко. Тут точно всё в порядке? Да, всё хорошо. Я просто услышал взволнованный возглас, как будто я делаю что-то не то. Наверное, не надо держать на одном месте. Как думаете, это всё не рванёт прямо так? Нет. Надеюсь. Что ж, как мы видим, даже если нагревается... До красна. До красна, возгорания не происходит. Так, давайте брать что-то помощнее. Попробую вот этим. Красиво, уверенно горит синим. Кажется, как будто не так горячо, как от зажигалки. Вижу чуть-чуть оранжевого. Но... Совсем мало. Думаю, пора доставать настоящий огнемёт. Итак, зажжём через три, два, один. Что думаете, сможем нагреть как надо? Сколько градусов? Пятьсот по Цельсию. Сколько, вы сказали? Пятьсот? Да. На этот раз вижу много оранжевого. Отдельные частички выстреливают. Красиво светятся. Семьсот. Семьсот градусов. Восемьсот шестьдесят. Мне кажется, мы вполне убедительно показали, что в обычных условиях поджечь склад термитной смеси сложно. Ого. Да, она до сих пор светится. Она что, расплавилась? Да, такое бывает. То есть она может расплавиться, и при этом не... Не загореться. Что за... Просто с ума сойти. Очевидно, что запас энергии в ней огромный. Но извлечь эту энергию совсем-совсем непросто. Если на складе всё-таки случится пожар, например, загорятся деревянные палеты, то с термитной смесью ничего не случится. То есть даже не... Нет, будет лежать себе и даже внимания не обратит. Секрет в том, что в состав смеси входит алюминиевый порошок. Алюминий довольно стабилен, потому что покрыт оксидом. Только при очень сильном нагревании этот верхний слой трескается у достаточного количества гранул, чтобы началась реакция. То есть оксид алюминия — это такой предохранитель для термитной смеси? Точная такая оболочка. На то, чтобы запустить эту реакцию, нужно очень много энергии, и от зажигалки или пропановой горелки она не начнётся. Поэтому для опытов мы пользовались запалами спироксидом бария. По сути, это такие большие бенгальские огни. С Новым годом! Они нагреваются в достаточной степени, чтобы пробить слой оксида алюминия и запустить реакцию. Температура возгорания должна быть настолько высокой, чтобы смесь не могла загореться случайно. Потому что если процесс пошёл... Нажимаю кнопку через... Три... Два... Его не остановить. Просто с ума сойти! В Германии мы снимали пять дней подряд, и в этом видео — совсем малая часть материала. В дальнейшем мы выясним, как термитная смесь реагирует с окружающей средой, а отдельное видео будет посвящено самому популярному способу применения этой реакции — сварке рельсов. Это видео, я думаю, видят миллионы людей. И большинство из них наверняка ездили на поездах. Какова вероятность, что они хотя бы раз проезжали по стыку, которые сварили термитом? Проезжали. Сто процентов? Сто процентов. Следите за каналом, чтобы не пропустить эти видео. Переведено и озвучено студией Верд Дайдер