L’ossido di ferro rosso(III) (Fe2O3, comunemente noto come ruggine) è l’ossido di ferro più comunemente usato nella termite. Anche la magnetite funziona. Altri ossidi sono usati occasionalmente, come MnO2 nella termite di manganese, Cr2O3 nella termite di cromo, quarzo nella termite di silicio, o ossido di rame(II) nella termite di rame, ma solo per scopi specializzati. Tutti questi esempi usano l’alluminio come metallo reattivo. I fluoropolimeri possono essere usati in formulazioni speciali, il Teflon con magnesio o alluminio è un esempio relativamente comune. Magnesio/teflon/viton è un altro pirolante di questo tipo.
Le combinazioni di ghiaccio secco (anidride carbonica congelata) e agenti riducenti come magnesio, alluminio e boro seguono la stessa reazione chimica delle miscele tradizionali di termite, producendo ossidi di metallo e carbonio. Nonostante la temperatura molto bassa di una miscela di termite di ghiaccio secco, un tale sistema è in grado di essere acceso con una fiamma. Quando gli ingredienti sono finemente divisi, confinati in un tubo e armati come un esplosivo tradizionale, questa crio-termite è detonabile e una parte del carbonio liberato nella reazione emerge sotto forma di diamante.
In principio, qualsiasi metallo reattivo potrebbe essere usato al posto dell’alluminio. Questo viene fatto raramente, perché le proprietà dell’alluminio sono quasi ideali per questa reazione:
- È di gran lunga il più economico dei metalli altamente reattivi. Per esempio, nel dicembre 2014, lo stagno costava 19.829 dollari/tonnellata metrica, lo zinco 2.180 dollari/t e l’alluminio 1.910 dollari/t.
- Forma uno strato di passivazione che lo rende più sicuro da maneggiare rispetto a molti altri metalli reattivi.
- Il suo punto di fusione relativamente basso (660 °C) significa che è facile fondere il metallo, in modo che la reazione possa avvenire principalmente in fase liquida, quindi procede abbastanza rapidamente.
- Il suo alto punto di ebollizione (2519 °C) permette alla reazione di raggiungere temperature molto elevate, poiché diversi processi tendono a limitare la temperatura massima a poco sotto il punto di ebollizione. Un punto di ebollizione così alto è comune tra i metalli di transizione (ad esempio, il ferro e il rame bollono a 2887 e 2582 °C, rispettivamente), ma è particolarmente insolito tra i metalli altamente reattivi (cfr. magnesio e sodio, che bollono a 1090 e 883 °C, rispettivamente).
- Inoltre, la bassa densità dell’ossido di alluminio formato come risultato della reazione tende a farlo galleggiare sul metallo puro risultante. Questo è particolarmente importante per ridurre la contaminazione in una saldatura.
Anche se i reagenti sono stabili a temperatura ambiente, bruciano con una reazione esotermica estremamente intensa quando vengono riscaldati alla temperatura di accensione. I prodotti emergono come liquidi a causa delle alte temperature raggiunte (fino a 2500 °C con l’ossido di ferro (III)) – anche se la temperatura effettiva raggiunta dipende da quanto velocemente il calore può sfuggire all’ambiente circostante. La termite contiene la propria riserva di ossigeno e non richiede alcuna fonte esterna di aria. Di conseguenza, non può essere soffocata e può incendiarsi in qualsiasi ambiente con sufficiente calore iniziale. Brucia bene quando è bagnata e non può essere facilmente spenta con l’acqua, anche se una quantità sufficiente di acqua per rimuovere il calore sufficiente può fermare la reazione. Piccole quantità d’acqua bollono prima di raggiungere la reazione. Anche così, la termite è usata per la saldatura sotto l’acqua.
Le termiti sono caratterizzate dalla quasi totale assenza di produzione di gas durante la combustione, dall’alta temperatura di reazione e dalla produzione di scorie fuse. Il combustibile dovrebbe avere un alto calore di combustione e produrre ossidi con basso punto di fusione e alto punto di ebollizione. L’ossidante dovrebbe contenere almeno il 25% di ossigeno, avere alta densità, basso calore di formazione, e produrre metallo con basso punto di fusione e alto punto di ebollizione (così l’energia rilasciata non viene consumata nell’evaporazione dei prodotti di reazione). I leganti organici possono essere aggiunti alla composizione per migliorarne le proprietà meccaniche, ma tendono a produrre prodotti di decomposizione endotermica, causando una certa perdita di calore di reazione e la produzione di gas.
La temperatura raggiunta durante la reazione determina il risultato. In un caso ideale, la reazione produce una fusione ben separata di metallo e scorie. Per questo, la temperatura deve essere abbastanza alta da fondere entrambi i prodotti di reazione, il metallo risultante e l’ossido di combustibile. Una temperatura troppo bassa produce una miscela di metallo sinterizzato e scorie; una temperatura troppo alta (sopra il punto di ebollizione di qualsiasi reagente o prodotto) porta alla rapida produzione di gas, disperdendo la miscela di reazione che brucia, a volte con effetti simili a un’esplosione a basso rendimento. Nelle composizioni destinate alla produzione di metallo per reazione alluminotermica, questi effetti possono essere contrastati. Una temperatura di reazione troppo bassa (ad esempio, quando si produce silicio dalla sabbia) può essere aumentata con l’aggiunta di un ossidante adatto (ad esempio, zolfo nelle composizioni alluminio-zolfo-sabbia); una temperatura troppo alta può essere ridotta utilizzando un refrigerante adatto e/o un flusso di scorie. Il flussante spesso usato nelle composizioni amatoriali è il fluoruro di calcio, poiché reagisce solo minimamente, ha un punto di fusione relativamente basso, una bassa viscosità di fusione ad alte temperature (quindi aumenta la fluidità della scoria) e forma un eutettico con l’allumina. Troppo fondente, tuttavia, diluisce i reagenti al punto da non poter sostenere la combustione. Anche il tipo di ossido metallico ha un’influenza drammatica sulla quantità di energia prodotta; più alto è l’ossido, maggiore è la quantità di energia prodotta. Un buon esempio è la differenza tra l’ossido di manganese (IV) e l’ossido di manganese (II), dove il primo produce una temperatura troppo alta e il secondo è a malapena in grado di sostenere la combustione; per ottenere buoni risultati, si può usare una miscela con il giusto rapporto di entrambi gli ossidi.
La velocità di reazione può anche essere sintonizzata con le dimensioni delle particelle; le particelle più grosse bruciano più lentamente delle particelle più fini. L’effetto è più pronunciato con le particelle che richiedono di essere riscaldate a una temperatura più alta per iniziare a reagire. Questo effetto è spinto all’estremo con i nanotermiti.
La temperatura raggiunta nella reazione in condizioni adiabatiche, quando non si perde calore nell’ambiente, può essere stimata usando la legge di Hess – calcolando l’energia prodotta dalla reazione stessa (sottraendo l’entalpia dei reagenti dall’entalpia dei prodotti) e sottraendo l’energia consumata dal riscaldamento dei prodotti (dal loro calore specifico, quando i materiali cambiano solo la loro temperatura, e la loro entalpia di fusione ed eventualmente entalpia di vaporizzazione, quando i materiali fondono o bollono). In condizioni reali, la reazione perde calore nell’ambiente, la temperatura raggiunta è quindi un po’ più bassa. La velocità di trasferimento del calore è finita, quindi più la reazione è veloce, più si avvicina alla condizione adiabatica e più alta è la temperatura raggiunta.
Termite di ferro
La composizione più comune è la termite di ferro. L’ossidante usato è di solito l’ossido di ferro (III) o l’ossido di ferro (II,III). Il primo produce più calore. Il secondo è più facile da accendere, probabilmente a causa della struttura cristallina dell’ossido. L’aggiunta di ossidi di rame o manganese può migliorare significativamente la facilità di accensione. La densità della termite preparata è spesso bassa come 0,7 g/cm3. Questo, a sua volta, si traduce in una densità di energia relativamente scarsa (circa 3 kJ/cm3), tempi di combustione rapidi e spruzzi di ferro fuso dovuti all’espansione dell’aria intrappolata. La termite può essere pressata fino a densità di 4,9 g/cm3 (quasi 16 kJ/cm3) con velocità di combustione lente (circa 1 cm/s). La termite pressata ha un potere di fusione più alto, cioè può fondere una tazza di acciaio dove una termite a bassa densità fallirebbe. La termite di ferro con o senza additivi può essere pressata in dispositivi di taglio che hanno un involucro resistente al calore e un ugello.La termite di ferro bilanciata con ossigeno 2Al + Fe2O3 ha una densità massima teorica di 4.175 g/cm3 una temperatura di combustione adiabatica di 3135 K o 2862 °C o 5183 °F (con transizioni di fase incluse, limitate dal ferro, che bolle a 3135 K), l’ossido di alluminio è (brevemente) fuso e il ferro prodotto è principalmente liquido con parte di esso in forma gassosa – 78,4 g di vapore di ferro per kg di thermite sono prodotti. Il contenuto energetico è di 945,4 cal/g (3 956 J/g). La densità di energia è 16 516 J/cm3.
La miscela originale, come inventata, usava ossido di ferro sotto forma di scaglia di mulino. La composizione era molto difficile da accendere.
Termite di rameModifica
La termite di rame può essere preparata usando l’ossido di rame(I) (Cu2O, rosso) o l’ossido di rame(II) (CuO, nero). La velocità di combustione tende ad essere molto veloce e il punto di fusione del rame è relativamente basso, quindi la reazione produce una quantità significativa di rame fuso in un tempo molto breve. Le reazioni della termite di rame(II) possono essere così veloci che può essere considerata un tipo di polvere istantanea. Si può verificare un’esplosione, che invia uno spruzzo di gocce di rame a distanze considerevoli.La miscela bilanciata con ossigeno ha una densità massima teorica di 5,109 g/cm3, una temperatura adiabatica della fiamma di 2843 K (transizioni di fase incluse) con l’ossido di alluminio fuso e il rame sia in forma liquida che gassosa; vengono prodotti 343 g di vapore di rame per kg di questa termite. Il contenuto energetico è di 974 cal/g.
La termite di rame(I) ha usi industriali, ad esempio, nella saldatura di conduttori di rame spessi (cadwelding). Questo tipo di saldatura è in fase di valutazione anche per la giunzione di cavi sulla flotta della marina militare statunitense, per l’uso in sistemi ad alta corrente, ad esempio la propulsione elettrica.La miscela bilanciata di ossigeno ha una densità massima teorica di 5,280 g/cm3, una temperatura di fiamma adiabatica di 2843 K (transizioni di fase incluse) con l’ossido di alluminio fuso e il rame sia in forma liquida che gassosa; vengono prodotti 77,6 g di vapore di rame per kg di questa termite. Il contenuto energetico è di 575,5 cal/g.
ThermatesEdit
La composizione termite è una termite arricchita con un ossidante a base di sale (di solito nitrati, ad esempio nitrato di bario, o perossidi). A differenza delle termiti, i termati bruciano con sviluppo di fiamme e gas. La presenza dell’ossidante rende la miscela più facile da accendere e migliora la penetrazione del bersaglio da parte della composizione che brucia, poiché il gas evoluto proietta le scorie fuse e fornisce un’agitazione meccanica. Questo meccanismo rende la termite più adatta della termite per scopi incendiari e per la distruzione di emergenza di attrezzature sensibili (ad esempio, dispositivi crittografici), poiché l’effetto della termite è più localizzato.