鋁熱劑 鋁熱反應過程中內部是怎麼反應的？

這是關於化學反應系列影片的第一集 125多年前被發現。它會釋放出大量的熱量。 天哪，GoPro！ 熔融金屬 天氣太熱了！ 它不是炸藥，但它卻能引起爆炸。 那太瘋狂了！ 但反應物如此惰性，足以承受噴燈的灼燒而永不損壞。 你覺得這一切最後會反咬我一口嗎？ 事實上，當好萊塢導演想要某樣看起來像核彈的東西時， 這是他們選擇的反應。 但在其最常見的用法中，一個幾乎一個多世紀以來未發生變化的用法， 它已幫助全球數十億人實現移動。 19世紀末，卡爾與他的弟弟漢斯·戈德施密特 正準備加入家族企業。 他們的父親擁有一間化學工廠，生產織物用的染料。 因此，他們在貝塞爾燈（Bunsen burner）聞名的羅伯特·本生門下學習化學。 父親早逝後，卡爾接手了公司的經營管理。 稍後他的弟弟也加入了。 漢斯早期的主要研究目標之一，就是尋找一種生產純金屬的方法。 這些對於製作從服裝、桌布到牆紙的染料都至關重要。 當時，優質的染料很難取得。 大多數都比較微弱，使用後更加褪色。 有些人需要收集大量罕見的昆蟲。 如今，我們對色彩習以為常。 但在這個乏味的世界裡，人們願意花大錢購買鮮豔且不易褪色的染料。 其中一種染料是舍勒綠，化學成分為亞砷酸銅。 正如其名所示，這種物質具有毒性，但其毒性程度究竟如何，則仍存在爭議。 然而，到了19世紀末，它已成為主流的綠色染料。 因為它的顏色無可匹敵。 英國軍官制服的紅色來自胭脂蟲。 一種中美洲昆蟲，與錫混合。 添加錫使顏色變得更暗、更濃烈。 因此，對純金屬的需求非常強勁。 他們曾有過透過將金屬溶解於溶液中來提純金屬的經驗。 或在酸類及各種物質中。 進入的氰化物溶液會繼續溶解金粒。 留在沙中經過 amalgamation 後使其液化。 然後與這些鹽反應，純化這些鹽，再還原這些鹽 進入金屬狀態。 而你每走一步，又會再次引起問題，對吧？ 在爐中還原時，你必須處理所有的廢氣。 以及透過碳造成的污染。 而且金屬之間非常難以分離。 他們基本上會形成固溶體，對吧？ 如同合金。 就像合金一樣，對吧。 從某種意義上來說，它們都變成了一種物質，具有同一個熔點。 這就是為什麼你必須採取一些措施將它們分開。 因此，漢斯想出了一個新點子。=$("#answer" 他會與一種金屬氧化物反應，例如氧化鉻。 以鋁金屬。 而且他的希望是氧氣能夠更換夥伴， 形成氧化鋁和純鉻。 這種反應現已被稱為鋁熱反應，或稱熱劑反應。 因此我來到ERRUPTHERMIT在德國訪問。 一個直接繼承自戈德施密特公司的企業。 我覺得他們把這裡布置得好像威利·旺卡的巧克力工廠之旅一樣。 但這其實是一座鋁熱劑工廠 hypertone 在這裡，我們將嘗試重現漢斯首次成功的反應。 本影片中所有實驗均在專業人員的監督下進行。 採取適當的安全預防措施。 最初，第一次實驗使用的是 Chrome， 但我們使用的是銅，這與其相當。 這大約是300克。 是的，300克的熱劑。 倒進去。 好的。 我們將它倒入坩堝並點燃。 好的。 就這樣？ 算了，算了，算了。 那就像煙火一樣。 哇，這真是太令人印象深刻了。 嗯，他看到那一幕時，確實吃了一驚。 少量鋁粉。 然後你就會得到這個。 如你所見，這反應釋放出大量能量。 熾熱反應的溫度通常超過2,000攝氏度， 最多可達2,500。 這是因為鋁與氧會形成非常強固的化學鍵。 當這些鍵結形成時，會釋放出大量的能量， 遠多於打破我們最初銅氧化物鍵所需的量。 這種能量融化了反應的所有產物，使其變得發紅發熱。 很難形容他們有多麼明亮。 感覺就像直視太陽一樣。 如果你在這段影片中看到某些鏡頭的亮部過曝， 這是因為很難判斷反應會有多強烈。 而且它幾乎總是比你預期的更明亮。 所以，往下掉到最底下的那個東西，是液態銅嗎？ 那是液態銅，基本上就是正在製造的溶液。 但如果你們得到這種高溫的純金屬與氧化鋁混合物， 你如何分離這兩種材料以提取純金屬？ 我們正試圖設置一個前所未見的實驗。 而且這實際上將讓我們能夠看到坩堝內部的情況。 我們將坩堝切成兩半，並安裝兩塊耐熱玻璃。 每四毫米厚，如同一扇觀察反應的窗口。 人們說這件事是不可能的， 你將什麼都看不見，或者玻璃只是會破裂。 我們從來沒有在鏡頭前做過這件事。 我只以這種方式，如此清晰地見過它。 而且我认为，接下來開始分析並理解這一點將會非常有趣。 現在這片玻璃已經過特殊處理， 因此，當它接觸到熔融金屬時，不應立即破裂。 但二氧化矽的熔點約為1700攝氏度。 這顯然低於反應的溫度。 因此，玻璃肯定會熔化。 希望它能緩慢熔化，以控制反應。 玻璃會熔化，最後僅剩下一層非常薄的玻璃。 所以你要點燃它嗎？點火器由你來放置？ 我想應該由別人來點燃它。 為什麼？ 因為我不信任自己。 我們看到了我昨天是多麼無法點燃它。 就這樣？ 算了，算了，算了。 對於此反應，我們將使用鐵熱劑。 因此，這是一種氧化鐵與鋁金屬的混合物。 好的，沒問題。 我們來做吧。 聖潔…… 天哪，GoPro！ 天啊。 天哪。 這是GoPro的結尾。 反應從點火裝置開始，並向四面八方擴展。 對我來說，它幾乎看起來像螞蟻或霉菌之類的东西。 看起來很自然，彷彿在慢慢擴散一樣。 你看到一個脈搏。 砰，砰，砰。 它在活著。 是的，看起來就是這樣。 為什麼會有脈動？ 我不知道。 好的。 我們試著去理解。 我們從來不知道它會這樣。 我們這樣做了百年，突然間你發現每一部分都被點燃了 這樣做。 你覺得那是氣體正在往上逸出嗎？ 這幾乎就是造成脈動的原因。 就像某種氣體受熱後上升，然後為下一個騰出空間。 這正是你在此處似乎看到的樣子。 哇，好熱啊。 那真的很熱。 我想看得更清楚一點。 所以我讓他們把一些鋁熱劑放在玻璃上面。 然後我會用這隻探針鏡頭從下方進行拍攝。 我準備好了。 好的，我們開始了。 它正在滾動。 它走了。 哇哦。 是的。 曝光效果相當不錯。 天啊。 難以置信。 這是我認為任何人拍攝過的最接近熱熔反應的畫面。 你可以看到反應是以脈衝方式進行的。 它反應迅速，但隨後會短暫停頓一下，然後再繼續前進。 我可以拿走它嗎？ 當然可以。 拿去，拿去，拿去，拿去，拿去，拿去，拿去，拿去，拿去，拿去。 天啊。 我有兩個想法，可以解釋這一點。 首先，鋁熱劑是一種混合物，由較大的鋁粒和氧化鐵顆粒組成。 而且它們必須以正確的比例存在，才能有效反應。 也許某個小區域的反應會擴展到比例略顯不理想的區域。 直到熱度累積到足以引發下一區域的反應為止。 我的第二個想法是，顆粒之間存在空氣。 反應產生的熱量使空氣受熱膨脹，導致顆粒之間的壓力增加， 可能會將部分未反應的物質推離反應前緣。 因此，一旦空氣逸出，下一塊區域便會點燃。 當所有的熱劑反應完畢後，情況就會變得非常激烈。 熔融金屬從坩堝頂部噴出，內部的液體不斷晃動。 這可能是由於某些材料沸騰，實際上從液態轉變為氣態。 現在我知道，想到金屬會沸騰，聽起來實在太荒謬了。 但鋁的沸點約為2,500攝氏度。 鐵的沸點高於2,800攝氏度。 混合物中還有其他元素，例如錳，其沸點僅為2,000攝氏度。 現在一旦沸騰停止，液體就會平靜下來。 現在，關鍵來了，如何製造純金屬。 液態鐵的密度超過液態氧化鋁的兩倍。 因此鐵會沉到底部，而氧化鋁則浮到頂部。 當金屬熔穿坩堝底部時，最先流出的液體是鐵。 只有在排空後，氧化鋁或爐渣才會流出。 你實際上可以看到鐵轉變為氧化鋁的過程。 液態鐵的黏度如同水一樣。 所以你可以看到它從那裡噴出來並四處飛濺。 然後爐渣就從那裡開始產生。 是的，它順利地出來了。 真的很酷。 哇哦。 這更像是溫熱的蜂蜜。 沒錯，你完全可以看得出來。 哇哦。 它確實讓你有身臨其境的感覺。 你可看見火焰從前方噴出。 而且它仍在記錄。 看看玻璃上的氣泡。 你看到那些氣泡了嗎？ 還有鐵水傾倒而出的美麗畫面。 我的意思是，這部正在著火的相機能拍出這樣的成果，實在令人印象深刻。 我們將在這裡放置一塊卵石，普通的街道鋪路石。 它是由石灰岩製成的。 我們將將鋁熱劑倒在其上方並點燃。 然後我們會發現，卵石的密度比那種溶液小。 它會浮到表面的。 哇哦。 好的。 看起來它正碎成碎片。 那是一大塊不錯的熔岩。 你看到了嗎？ 哦，是的。 普通的岩石，如鹅卵石，會像爐渣一樣湧現到地表。 當較重的金屬沉到容器底部時。 這正是在坩堝中製造高純度金屬的關鍵。 因此，漢斯·戈德施密特開發出一種製造純金屬如鉻、銅和鐵的工藝。 這對化學和染料製造來說可能非常有幫助。 但漢斯懷疑它的應用範圍可能更為廣泛。 他於1895年申請了該工序的專利，並撰文準備發表。 他寫道， 我這裡所提到的程序，其原理極其簡單。 我幾乎沒有時間去進行這項陳述。 若非其令人驚訝且非同凡響的效果。 熱劑是一種在尋找問題的解決方案。 熱劑最早的一個應用是在偏遠地點焊接金屬部件。 無論何時你需要極其強大且極其可靠的焊縫 在一個相當偏遠的地方，你無法奢望帶上你所知道的那些東西， 大量設備和大量焊接器材，這些對鋁熱反應都非常有用。 你知道，一些最早的客戶其實是船運公司。 當某根軸在大洋正中間斷裂時， 當時你會迷路的。 現在有了鋁熱劑，至少能修好那裡了。 以某種方式讓你回到家，實際上非常有用。 能夠修復某物，或修補引擎缸體上的裂縫。 而且要讓它極度便攜，因為你知道，就像我們說的， 需要兩個人在吊籃裡。 當然，在這種情況下，鐵熱劑實際上並不會產生純鐵， 而是鋼鐵。 這是通過在熱劑粉末中加入碳和其他合金元素實現的。 沒有人需要純鐵。 純鐵實際上毫無用處。 非常柔軟。 它會立即腐蝕，即使在乾燥的空氣中也是如此，沒有人會想要這種東西，對吧？ 你需要鐵，並加入一些碳。 完全正確。 你需要鐵，並混合一些碳。 這使它成為一隻鋼鐵。 因此，目前生產的大部分鋁熱劑都是鋼鋁熱劑。 你有這座鋼鐵廠，你可以隨意把它搬到任何你想去的地方。 冷戰結束後， 我們基本上會使用鋁熱劑來摧毀坦克的炮管。 基本上，你會把一部分鋁熱劑塞進槍管裡。 然後你會點燃它。 然後它會基本上把槍管焊接起來，並將其破壞。 之後它將完全無用。 那些都是不再有用的武器或物品。 我們用鋁熱劑來摧毀 因為它非常快速且非常安全。 而且這是非常確定的。 一旦你放進去之後 絕對無法再使用那件武器。 熱劑的一種現代應用是利用其產生的高溫來銷毀資訊。 超過某一溫度，即居里溫度後， 磁鐵會失去磁性。 因此，當磁性硬碟的溫度高到足夠程度時，儲存的資訊將變得無法恢復。 這看起來是一種與常見的熱劑截然不同的形式。 是的。 我習慣把它當成粉末來看。 之前也是粉末，我們把它曬乾。 我可以去取嗎，還是……？ 是的。 我的意思是，它就像一片普通的瓦片。 對，說出來吧。 太棒了！ 那太棒了。 因此，如果我們想要確保沒有人能夠讀取這塊硬碟上的資訊， 我可以把它放在上面。 是的。 在這裡。 當我們點燃坩堝時，會在短暫的瞬間達到高溫。 這裡我們有它10分鐘，所以一切都毀滅了。 所以你正在控制能量釋放，讓它在這裡變得更慢。 是的。 溫度並不高，反應速度也較慢。 我將在這塊鋁熱劑磚的四個角落全部點燃。 它將持續產生熱量大約10分鐘。 我們看看它對這台筆電會有什麼影響。 好了，點火吧。 我喜歡這個！ 看見它正在滲出來了嗎？ 這是一種完全不同的效果。 是啊，這越來越熱了。 它現在正傳送到筆電。 這真是太棒了。 你得看看那台筆電底下湧出來的熔融液體。 太瘋狂了！ 見過這麼多鋁熱劑後，這簡直是完全不同的版本。 看看那團金屬 puddle。 沒有人能從那台筆電上取得任何資料。 太棒了。 我沒想到會在鋁熱劑中看到那個商標。 我可以把它抬起來嗎？ 當然可以！ 現在，你可能會認為，根據釋放的能量量， 那種鋁熱劑可以用作炸藥。 但它實際上並不適合這個目的。 什麼讓鋁熱劑如此有趣且重要 你可以如此完美地掌控它。 如果你發生爆炸，你大致上可以非常準確地計算出能量。 並說你得到的，你知道，是 x 百萬焦耳。 但很難說具體是多長時間。 也許其中一個原因正是這件事並未爆發 是因為當你有爆炸性的反應時， 通常您的反應物是固體，而產物是氣體。 這顯然會大幅擴張，並造成巨大的壓力。 但在這種情況下，反應物和生成物均為固體或液體。 是啊，當然。 你對正在發生的事有著如此多的掌控權。 我覺得我被曬傷了。 這種特性使得拆除建築物成為可能 爆炸物可能造成過大損壞的地方。 1933年，阿道夫·希特勒成為德國總理四週後， 柏林的國會大廈被縱火了 而且要到24年後才會完全修復。 但那座燒毀的鋼製穹頂已失去結構完整性。 而且需要被移除。 現在，常規炸藥將造成無法挽回的損壞 至於舊建築的其他部分。 因此，在1957年11月22日， 熱劑炸藥被綁在圓頂上。 點燃後，它們熔穿了鋼鐵。 恰好落入下方的舊議事廳中。 讓修復工作得以完成。 像這樣的應用是可行的 因為鋁熱反應可以被精確控制。 他們把所有食材的配比都掌握得恰到好處 你真的可以在室內點燃鋁熱劑 毫無熔融金屬四處飛濺的憂慮。 這種混合物包含一些純鋼的碎片。 它們不參與反應， 但它們在熔化時會吸收熱量。 因此，它們有助於控制反應速率 溫度達到。 在這裡。 好的。 就這樣。 就這樣？ 我不認為它在裡面。 天哪。 哇哦。 哇哦。 有趣的是，就像透過墨鏡看東西一樣， 看起來像玉米面包鬆餅之類的東西。 其中一個非常重要的參數需要控制 是反應開始後多久 金屬是否開始從坩堝底部流出？ 這稱為觸控時間。 這非常重要，因為如果按壓時間太短， 金屬內部未能與爐渣完全分離。 但如果按壓時間過長， 然後金屬會溶解更多的二氧化矽 從坩堝的壁面 而且它出來的溫度也比原本可能的更低。 因此，鋼鐵的化學成分其實會隨著時間而改變。 它在裡面待得越久。 這就是為什麼對我們而言非常重要 能夠控制它實際停留的時間。 你希望開關時間處於中間位置，恰到好處。 我們在此設置了這個實驗來進行測試， 我們可以控制鋼鐵出來的時間嗎？ 所以這個想法是它應該首先從這個出來， 然後這個，然後那個。 我們將同時點燃全部三個。 看看會發生什麼。 你沒事吧？ 三、二、一。 是的！ 它們幾乎在同一時間點燃。 但第一個坩堝的開關時間…… 我們抓到一個！ ……無疑是最短的。 二！ 如果這一個停下，第三個開始，那就太棒了。 那會非常、非常令人印象深刻。 來吧，第三個。 哇！ 很好。 太棒了。 另一個可控制的屬性 金屬的溫度。 這裡有兩個不同的版本。 因此我們有一個阻尼係數為12%的版本， 這裡我們有 25%。 有時你希望金屬能被取出 稍微熱一點或稍微冷一點。 就這樣了。 點火控制得非常好。 那個可就多得多。 哇！ 你可以看到那個12%的先走了。 哇！ 你知道，這一個是先開始的， 這樣你就能稍微感受一下。 但我覺得他們倆都達到兩千了。 我不知道。 右邊的那個是較少阻尼的區域之一。 另一個則是較為沉悶的一個。 我們可以大幅改變溫度 兩個方向都是。 稍微高一點，明顯低得多。 所有這些控制都是透過此實現的 透過精心調整鋁熱混合物。 這是製作鋁熱劑的起點。 大約每天一到兩次， 一輛卡車開過來，把這東西卸下來。 這是氧化皮。 這基本上是一種不同氧化鐵的混合物。 當你熱軋鋼材時， 鋼鐵的表面非常活躍 因為天氣太熱了， 而且有大量水用來冷卻輥筒 因此，表面實際上會非常迅速地氧化 並產生這種鐵鏽層。 然後他們使用類似水槍的裝置 把它從鋼鐵表面吹掉。 至於軋機， 這只是一種廢棄物，對吧？ 哇哦。 在這裡。 那太棒了。 外部的鐵鏽由此進入。 然後被曬乾 因為鋁熱劑與水， 他們並非真正的朋友， 而且你希望氧化皮盡可能乾燥。 然後保持乾燥。 所以我們就是這樣把它曬乾的。 氧化鐵被搖動著沿螺旋坡道被送至頂樓。 那裡，粒子就分離了。 不同尺寸和組成 在與鋁粉混合之前。 我猜這也必須非常乾燥吧。 這裡的問題沒有那麼嚴重 因為它的製造方式 不含任何水分。 隨著氧化鐵- 它正被水柱吹走。 我們必須控制所有的元素， 反應性元素， 哪個是氧化鐵，哪個是鋁？ 確保每一部分 具有非常明確的反應性。 然後我們就會得到我們想要的反應 還有我們所需的鋼材化學性質。 你們用這個詞的部分。 份，沒錯。 那就是我們使用的方式。 一部分基本上就是一袋熱熔劑。 沒有攝影機。 總是違規，這傢伙。 因此，這些部分都分別裝袋了 並存放在倉庫中。 這是我们的仓库。 但這僅僅是其中之一。 這甚至還不是最大的。 我可以在這裡問你一個問題嗎？ 好的，昨天我們看到了 鋁熱劑中蘊含著巨大的能量。 在這個倉庫裡， 有大量炸藥。 所以問題是， 這有什麼危險嗎？ 這是一個合理的问题。 沒有—— 這是一個合理的问题。 他們為我安排了這次示範 了解鋁熱劑處理時的安全性。 他們想讓我試著點燃這整個鉛熱劑熔爐 隨著點火源尺寸的增加。 但我並不太確定這是不是個好主意。 也許你可以幫我點燃它？ 克里斯托夫在哪裡？ 對了，你試過這個了嗎？ 不。 既然如此，在這種情況下， 我會給你準備一些安全裝備。 我有95%的把握認為你無法點燃它。 95？ 在這裡。 那是安全裝備，兄弟。 所以是二十分之一？ 是這樣做的嗎？ 這是一件防火服。 至少會有影像記錄下事情發生的經過。 那麼，首先來點輕鬆的。 好吧，讓我們試一試。 看看我能不能讓它點燃。 三、二、一。 我正在這裡讓一些熱劑粒子變得非常熱。 讓它們實際上發出橙色的光。 哦，哦，哦，它正在快速地休息一下。 你看著那個，開始擔心了嗎？ 不，不完全是這樣。 我聽到你發出聲音，心裡就想著， 不，他開始擔心了。 我不該把它留在同一個地方。 你覺得這一切最後會不會反咬我一口？ 不。 我希望不是。 所以你看，即使得到了它…… 發出熾熱的光。 即使發出熾熱的光，它仍不會點燃。 好了，讓我們拿出一支更大的手電筒吧。 我來試試這個。 有一個漂亮的大藍焰。 我觉得這支不像其他那支那麼熱。 那裡我看到一點點橙色，但僅僅是稍微一點點。 我們不得不祭出終極手段了。 好，我們把它燒了。 三、二、一。 我想我們可以產生足夠的熱量。 有多熱？ 500 你剛才說的是五百嗎？ 是的。 我看到大量鋁熱劑發出橙色的光。 有些零件要出來了。 漂亮而光亮。 700度。 我认为這是一個關於鋁熱劑的極佳示範。 在正常情況下不會被點燃。 哇哦。 在那裡，依然閃耀著光芒。 它融化了吗？ 是的，這有可能發生。 它可以融化，又好像不會融化。 不要點燃。 什麼…… 那簡直瘋了。 顯而易見，這裡有著巨大的潛在能量， 但要獲得那股能量實在是難上加難。 所以如果它著起火來，你知道的，不管怎樣， 木製托盤會燃燒。 那樣的話，你就無法點燃鋁熱劑。 連……都不會…… 不，它只會待在那裡，完全不理會你。 這種缺乏反應性的關鍵在於鋁粉。 鋁相當穩定，因為它表面覆蓋著氧化鋁。 而且只有在它被加热到如此剧烈的程度時 那一層在大量粒子中會崩解， 然後反應就可以開始了。 因此，氧化鋁就像是熱劑反應的隱形閥門。 沒錯，就是那枚印章。 此反應具有非常高的活化能， 因此，它無法用火柴或丙烷焊槍點燃。 好的。 這就是我們一直使用氫氧化鋇點火器的原因。 基本上就是火花棒裡的那些東西。 新年快樂！ 溫度高到足以穿透氧化鋁層 並啟動反應。 我們希望確保點燃溫度足夠高 你只能故意點燃它。 因為一旦開始了…… 我要按下按鈕了。 三、二…… 無法阻止它。 那太瘋狂了！ 我在德國拍攝了整整五天。 這只是接下來精彩內容的開胃菜而已。 我們將會了解鋁熱劑與其環境之間的反應。 我們將製作一段專門的影片，介紹 thermite 最常見的應用。 焊接鐵軌。 很可能有百萬人正在觀看這段影片。 他們大多數人可能都坐過火車。 他們騎過你其中一個熱劑焊接點的可能性有多大？ 他們會。 100%？ 百分之百。 所以請確保已訂閱，以便在這些影片上架時收到通知。