鋁熱反應

鋁熱法是一種利用鋁的還原性獲得高熔點金屬單質的方法。 可簡單認為是鋁與某些金屬氧化物（如三氧化二鐵、三氧化二鉻、二氧化錳等）在高熱條件下發生的反應。鋁熱反應常用於冶煉高熔點的金屬，並且它是一個放熱反應其中鎂條為引燃劑，氯酸鉀為助燃劑。鎂條在空氣中可以燃燒，氧氣是氧化劑。但插入混合物中的部分鎂條燃燒時，氯酸鉀則是氧化劑，以保證鎂條的繼續燃燒，同時放出足夠的熱量引發金屬氧化物和鋁粉的反應。

基本介紹

• 中文名：鋁熱反應
• 外文名：thermite reaction
• 套用學科：化學
• 適用領域範圍：焊接鐵軌、冶鍊金屬、軍事武器、傳統煙火

實驗原理

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

表達式：2yAl+3MxOy=高溫=yAl₂O₃+3xM(M為金屬元素)

實驗反應化學方程式:

氧化鐵：2Al+Fe₂O₃==高溫==2Fe+Al₂O₃

四氧化三鐵：8Al+3Fe₃O₄==高溫==9Fe+4Al₂O₃

二氧化錳：4Al+3MnO₂==高溫==3Mn+2Al₂O₃

五氧化二釩：10Al+3V₂O₅==高溫==6V+5Al₂O₃

氧化鉻：2Al+Cr₂O₃==高溫==2Cr+Al₂O₃

(鋁熱反應配平技巧：取反應物和生成物中氧化物中兩邊氧的最低公倍數，即可快速配平，如鋁熱法中，可取Fe₃O₄和Al₂O₃中氧的最低公倍數12，則Fe₃O₄前應為3，Al₂O₃前應為4，底下便可得到Al為8，Fe為9）

實驗操作

1.將氧化鐵和鋁粉按照體積比3:2混合均勻製成鋁熱劑，裝入容器內

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，用砂紙打磨乾淨，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生劇烈的氧化還原反應。最終生成液態的鐵和氧化鋁。

注意事項

1.鋁熱反應有一定的危險性，不允許在家裡或房間裡做該實驗，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，並建議用四氧化三鐵作為金屬氧化物，並嚴格控制反應物量的大小，建議鋁粉可稍微過量，以使金屬氧化物完全反應。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，並且要10厘米左右，太短熱量不夠，太長燃燒時間太長，並造成浪費。不能在承接容器中加水，否則金屬會與水反應生成氫氣發生爆炸或者使水迅速沸騰導致液態金屬飛濺。切忌在反應物附近放可燃物，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產生化學爆炸，在點燃反應物之前，先撤離周圍人員，並保持一段距離（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。發現鎂條逐漸變黑和閃火星時，說明鎂條已經吸收了夠多的熱量，馬上要燃燒了，這時要繼續加熱，並準備撤離。點燃鎂帶後，要趕快離至適合的距離，實驗者必須戴墨鏡或防強光的設備觀察實驗現象，以防止被鋁熱反應的強光灼傷眼睛。絕對不允許在反應物旁觀察反應現象。反應時，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。反應結束後，切不可用水澆滅，要等其自然冷卻。

進行反應時，容易生成劇烈反應的金屬氧化物，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。

冷卻結束後，可看見被還原的金屬，該金屬可收藏或再使用。

套用

1、冶煉難熔的金屬

2、焊接鋼軌等大截面鋼材部件

3、軍事上可以製作鋁熱彈等強殺傷性的武器，還可以用作破壞敵軍器材

4、傳統的煙火劑

安全提示

1.在冰塊上進行鋁熱反應會發生爆炸

不可用水承接，應鋪沙子！

原因：鋁熱反應的高溫熔融物會與水反應生成氫氣，同時氫氣會被熔融物點燃發生爆炸。（熔融物會被炸得亂飛，十分危險！）

2.鋁熱反應時有時生成的液態金屬會噴濺而出，這主要是因為反應物粉末間有空隙，其中的空氣在反應中2000多度的高溫下劇烈膨脹，吹出反應中生成的液態金屬。又因為加氯酸鉀後氯酸鉀分解產生大量氧氣氧化鎂條，這些氧氣在膨脹的同時又提高了反應中生成的液態金屬的溫度，非常危險。所以嚴禁在鋁熱中混合大量氧化劑，也請勿加入會分解產生大量氣體的藥品！

3.經過實驗證明，鋁熱劑如果成分按比例正確混合均勻（可根據方程式計算：Al:Fe₂O₃=1:3（質量比），體積比約為Al:Fe₂O₃=2:1，依照體積配比需要注意鋁粉與氧化鐵粉的蓬鬆程度，建議依照質量來配比,以保證比例的準確性。），不需加氯酸鉀氧化也可觸發此反應，此時反應相當溫和，甚至不會出現強光（鎂與氯酸鉀反應所致），大大提高反應安全性。

4.配置好的鋁熱劑在儲存時，不應壓實。由於壓實後，即便是室溫，鋁熱劑也會自發反應(發熱)，可能導致自我點燃，造成事故，故不應壓實。

危險性提醒

鋁熱反應危險性極大，由於氧化鋁的生成焓低，必然造成大量高溫熔融物噴濺，造成燒傷等嚴重後果。而且由於噴濺，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，氧化銅與鋁粉反應時的溫度可以使銅變為氣態，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

由於以上種種危險性，建議一般人不要做此實驗。

用途

鋁熱反應十分激烈，所以點燃後難以熄滅。若在鋼等其他金屬物上點燃，還會熔穿金屬物，加劇反應。故常被用於製作穿甲彈可以熔穿裝甲。

鋁熱反應過程中放出的熱可以使高熔點金屬熔化並流出，故鋁熱法廣泛運用於焊接搶險工程之中。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，其他的金屬單質與金屬氧化物混合之後點燃，也會發生強烈的氧化還原反應，效果類似於鋁熱反應。其中的金屬單質可以是鋁、鎂、鈣、鈦，或者是非金屬硼、矽，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矽、三氧化二硼等。有時這些反應也根據反應中的還原劑而被稱為“鎂熱法”、“矽熱法”、“鈣熱法”、“碳熱法”等等。(注:鋁-氧化銅的混合物點燃後會發生劇烈爆炸！)

鋁熱反應原理可以套用在生產上，例如焊接鋼軌、冶煉難熔金屬、製作傳統的煙火劑等。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時，產生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高溫度下呈熔融狀態，跟形成的熔渣分離開來，從而獲得較純的金屬。在工業上常用這種方法冶煉難熔的金屬，如釩、鉻、錳等。