El óxido de hierro (III) rojo (Fe2O3, comúnmente conocido como óxido) es el óxido de hierro más comúnmente utilizado en la termita. La magnetita también funciona. Ocasionalmente se utilizan otros óxidos, como el MnO2 en la termita de manganeso, el Cr2O3 en la termita de cromo, el cuarzo en la termita de silicio o el óxido de cobre(II) en la termita de cobre, pero sólo para fines especializados. Todos estos ejemplos utilizan el aluminio como metal reactivo. Los fluoropolímeros pueden utilizarse en formulaciones especiales, siendo el teflón con magnesio o aluminio un ejemplo relativamente común. El magnesio/teflón/vitón es otro pirolante de este tipo.
Las combinaciones de hielo seco (dióxido de carbono congelado) y agentes reductores como el magnesio, el aluminio y el boro siguen la misma reacción química que con las mezclas tradicionales de termita, produciendo óxidos metálicos y carbono. A pesar de la bajísima temperatura de una mezcla de termita de hielo seco, este sistema es capaz de encenderse con una llama. Cuando los ingredientes se dividen finamente, se confinan en un tubo y se arman como un explosivo tradicional, esta criotermita es detonable y una parte del carbono liberado en la reacción emerge en forma de diamante.
En principio, se podría utilizar cualquier metal reactivo en lugar del aluminio. Esto rara vez se hace, porque las propiedades del aluminio son casi ideales para esta reacción:
- Es, con mucho, el más barato de los metales altamente reactivos. Por ejemplo, en diciembre de 2014, el estaño costaba 19.829 dólares/tonelada métrica, el zinc 2.180 dólares/tonelada y el aluminio 1.910 dólares/tonelada.
- Forma una capa de pasivación que lo hace más seguro de manejar que muchos otros metales reactivos.
- Su punto de fusión relativamente bajo (660 °C) significa que es fácil fundir el metal, por lo que la reacción puede producirse principalmente en la fase líquida, por lo que procede con bastante rapidez.
- Su elevado punto de ebullición (2519 °C) permite que la reacción alcance temperaturas muy altas, ya que varios procesos tienden a limitar la temperatura máxima justo por debajo del punto de ebullición. Un punto de ebullición tan alto es común entre los metales de transición (por ejemplo, el hierro y el cobre hierven a 2887 y 2582 °C, respectivamente), pero es especialmente inusual entre los metales altamente reactivos (véase el magnesio y el sodio, que hierven a 1090 y 883 °C, respectivamente).
- Además, la baja densidad del óxido de aluminio formado como resultado de la reacción tiende a hacer que flote en el metal puro resultante. Esto es especialmente importante para reducir la contaminación en una soldadura.
Aunque los reactivos son estables a temperatura ambiente, arden con una reacción exotérmica extremadamente intensa cuando se calientan hasta la temperatura de ignición. Los productos surgen como líquidos debido a las altas temperaturas que se alcanzan (hasta 2500 °C con el óxido de hierro (III)), aunque la temperatura real que se alcanza depende de la rapidez con la que el calor puede escapar al entorno. La termita contiene su propio suministro de oxígeno y no necesita ninguna fuente externa de aire. Por lo tanto, no puede ser sofocada y puede encenderse en cualquier entorno si se le da suficiente calor inicial. Arde bien cuando está mojada y no se puede extinguir fácilmente con agua, aunque una cantidad suficiente de agua para eliminar el calor suficiente puede detener la reacción. Pequeñas cantidades de agua hierven antes de alcanzar la reacción. Aun así, la termita se utiliza para soldar bajo el agua.
Las termitas se caracterizan por la ausencia casi total de producción de gas durante la combustión, la alta temperatura de reacción y la producción de escoria fundida. El combustible debe tener un alto calor de combustión y producir óxidos con bajo punto de fusión y alto punto de ebullición. El oxidante debe contener al menos un 25% de oxígeno, tener alta densidad, bajo calor de formación y producir metal con bajo punto de fusión y alto punto de ebullición (para que la energía liberada no se consuma en la evaporación de los productos de la reacción). Se pueden añadir aglutinantes orgánicos a la composición para mejorar sus propiedades mecánicas, pero tienden a producir productos de descomposición endotérmica, lo que provoca cierta pérdida de calor de reacción y producción de gases.
La temperatura alcanzada durante la reacción determina el resultado. En un caso ideal, la reacción produce una fusión bien separada de metal y escoria. Para ello, la temperatura debe ser lo suficientemente alta como para fundir ambos productos de la reacción, el metal resultante y el óxido combustible. Una temperatura demasiado baja produce una mezcla de metal sinterizado y escoria; una temperatura demasiado alta (por encima del punto de ebullición de cualquier reactivo o producto) conduce a una rápida producción de gas, dispersando la mezcla de reacción en llamas, a veces con efectos similares a una explosión de bajo rendimiento. En las composiciones destinadas a la producción de metal por reacción aluminotérmica, estos efectos pueden contrarrestarse. Una temperatura de reacción demasiado baja (por ejemplo, cuando se produce silicio a partir de arena) puede potenciarse con la adición de un oxidante adecuado (por ejemplo, azufre en composiciones de aluminio-azufre-arena); una temperatura demasiado alta puede reducirse utilizando un refrigerante adecuado y/o un fundente de escoria. El fundente que se suele utilizar en las composiciones para aficionados es el fluoruro de calcio, ya que reacciona mínimamente, tiene un punto de fusión relativamente bajo, una viscosidad de fusión baja a altas temperaturas (por lo que aumenta la fluidez de la escoria) y forma un eutéctico con la alúmina. Sin embargo, un exceso de fundente diluye los reactivos hasta el punto de no poder mantener la combustión. El tipo de óxido metálico también influye drásticamente en la cantidad de energía producida; cuanto mayor sea el óxido, mayor será la cantidad de energía producida. Un buen ejemplo es la diferencia entre el óxido de manganeso (IV) y el óxido de manganeso (II), donde el primero produce una temperatura demasiado alta y el segundo apenas es capaz de mantener la combustión; para lograr buenos resultados, se puede utilizar una mezcla con la proporción adecuada de ambos óxidos.
La velocidad de reacción también puede ajustarse con el tamaño de las partículas; las partículas más gruesas se queman más lentamente que las más finas. El efecto es más pronunciado con las partículas que requieren ser calentadas a mayor temperatura para comenzar a reaccionar. Este efecto se lleva al extremo con las nanotermitas.
La temperatura alcanzada en la reacción en condiciones adiabáticas, cuando no se pierde calor en el ambiente, puede estimarse utilizando la ley de Hess – calculando la energía producida por la propia reacción (restando la entalpía de los reactantes de la entalpía de los productos) y restando la energía consumida por el calentamiento de los productos (de su calor específico, cuando los materiales sólo cambian su temperatura, y su entalpía de fusión y eventualmente entalpía de vaporización, cuando los materiales se funden o hierven). En condiciones reales, la reacción pierde calor hacia el entorno, por lo que la temperatura alcanzada es algo menor. La tasa de transferencia de calor es finita, por lo que cuanto más rápida es la reacción, más cerca de la condición adiabática se ejecuta y mayor es la temperatura alcanzada.
Termita de hierroEditar
La composición más común es la termita de hierro. El oxidante utilizado suele ser óxido de hierro (III) u óxido de hierro (II,III). El primero produce más calor. El segundo es más fácil de encender, probablemente debido a la estructura cristalina del óxido. La adición de óxidos de cobre o manganeso puede mejorar significativamente la facilidad de ignición.La densidad de la termita preparada suele ser tan baja como 0,7 g/cm3. Esto, a su vez, da como resultado una densidad de energía relativamente pobre (alrededor de 3 kJ/cm3), tiempos de combustión rápidos y pulverización de hierro fundido debido a la expansión del aire atrapado. La termita puede ser prensada hasta alcanzar densidades de 4,9 g/cm3 (casi 16 kJ/cm3) con velocidades de combustión lentas (alrededor de 1 cm/s). La termita prensada tiene un mayor poder de fusión, es decir, puede fundir un vaso de acero donde una termita de baja densidad fallaría. La termita de hierro, con o sin aditivos, se puede prensar en dispositivos de corte que tienen una carcasa resistente al calor y una boquilla.La termita de hierro equilibrada con oxígeno 2Al + Fe2O3 tiene una densidad máxima teórica de 4175 g/cm3 una temperatura de combustión adiabática de 3135 K o 2862 °C o 5183 °F (con las transiciones de fase incluidas, limitadas por el hierro, que hierve a 3135 K), el óxido de aluminio se funde (brevemente) y el hierro producido es mayoritariamente líquido con una parte en forma gaseosa – se producen 78,4 g de vapor de hierro por kg de termita. El contenido energético es de 945,4 cal/g (3 956 J/g). La densidad energética es de 16 516 J/cm3.
La mezcla original, tal y como se inventó, utilizaba óxido de hierro en forma de escamas de molino. La composición era muy difícil de encender.
Termita de cobreEditar
La termita de cobre puede prepararse utilizando óxido de cobre(I) (Cu2O, rojo) u óxido de cobre(II) (CuO, negro). La velocidad de combustión suele ser muy rápida y el punto de fusión del cobre es relativamente bajo, por lo que la reacción produce una cantidad importante de cobre fundido en muy poco tiempo. Las reacciones de la termita de cobre (II) pueden ser tan rápidas que se puede considerar un tipo de pólvora instantánea. Puede producirse una explosión que envíe un chorro de gotas de cobre a distancias considerables.La mezcla equilibrada de oxígeno tiene una densidad máxima teórica de 5,109 g/cm3, una temperatura de llama adiabática de 2843 K (transiciones de fase incluidas) con el óxido de aluminio fundido y el cobre en forma tanto líquida como gaseosa; se producen 343 g de vapor de cobre por kg de esta termita. El contenido energético es de 974 cal/g.
La termita de cobre(I) tiene usos industriales en, por ejemplo, la soldadura de conductores gruesos de cobre (cadwelding). Este tipo de soldadura se está evaluando también para el empalme de cables en la flota de la marina estadounidense, para su uso en sistemas de alta corriente, por ejemplo, de propulsión eléctrica.La mezcla equilibrada con oxígeno tiene una densidad máxima teórica de 5,280 g/cm3, una temperatura de llama adiabática de 2843 K (transiciones de fase incluidas) con el óxido de aluminio fundido y el cobre en forma tanto líquida como gaseosa; se producen 77,6 g de vapor de cobre por kg de esta termita. El contenido energético es de 575,5 cal/g.
TermitaEditar
La composición de la termita es una termita enriquecida con un oxidante a base de sales (normalmente nitratos, por ejemplo, nitrato de bario, o peróxidos). A diferencia de las termitas, las termitas arden con evolución de llama y gases. La presencia del oxidante facilita la ignición de la mezcla y mejora la penetración del objetivo por la composición de la combustión, ya que el gas evolucionado proyecta la escoria fundida y proporciona agitación mecánica. Este mecanismo hace que el thermate sea más adecuado que la termita para fines incendiarios y para la destrucción de emergencia de equipos sensibles (por ejemplo, dispositivos criptográficos), ya que el efecto de la termita es más localizado.