Rood ijzer(III)oxide (Fe2O3, algemeen bekend als roest) is het meest voorkomende ijzeroxide dat in thermiet wordt gebruikt. Magnetiet werkt ook. Andere oxiden worden af en toe gebruikt, zoals MnO2 in mangaan-thermiet, Cr2O3 in chroom-thermiet, kwarts in silicium-thermiet, of koper(II) oxide in koper-thermiet, maar alleen voor gespecialiseerde doeleinden. Bij al deze voorbeelden wordt aluminium als reactief metaal gebruikt. Fluorpolymeren kunnen in speciale formuleringen worden gebruikt, waarbij Teflon met magnesium of aluminium een vrij gangbaar voorbeeld is. Magnesium/teflon/viton is een ander pyroliet van dit type.
Combinaties van droogijs (bevroren kooldioxide) en reductiemiddelen zoals magnesium, aluminium en borium volgen dezelfde chemische reactie als bij traditionele thermietmengsels, waarbij metaaloxiden en koolstof worden geproduceerd. Ondanks de zeer lage temperatuur van een thermietmengsel van droog ijs, kan een dergelijk systeem met een vlam worden ontstoken. Wanneer de bestanddelen fijn worden verdeeld, in een buis worden opgesloten en als een traditioneel explosief worden bewapend, is dit cryo-thermiet detoneerbaar en komt een deel van de bij de reactie vrijgekomen koolstof in de vorm van diamant naar boven.
In principe zou elk reactief metaal in plaats van aluminium kunnen worden gebruikt. Dit wordt zelden gedaan, omdat de eigenschappen van aluminium bijna ideaal zijn voor deze reactie:
- Het is verreweg het goedkoopst van de zeer reactieve metalen. In december 2014 bijvoorbeeld kostte tin 19.829 dollar/metrische ton, zink 2.180 dollar/ton en aluminium 1.910 dollar/ton.
- Het vormt een passiveringslaag waardoor het veiliger te hanteren is dan veel andere reactieve metalen.
- Het relatief lage smeltpunt (660 °C) betekent dat het metaal gemakkelijk kan worden gesmolten, zodat de reactie hoofdzakelijk in de vloeibare fase kan plaatsvinden en dus vrij snel verloopt.
- Het hoge kookpunt (2519 °C) maakt het mogelijk dat de reactie zeer hoge temperaturen bereikt, aangezien verschillende processen de neiging hebben de maximumtemperatuur te beperken tot net onder het kookpunt. Een dergelijk hoog kookpunt is gebruikelijk bij overgangsmetalen (b.v. ijzer en koper koken bij 2887 en 2582 °C, respectievelijk), maar is bijzonder ongebruikelijk bij de zeer reactieve metalen (b.v. magnesium en natrium, die koken bij 1090 en 883 °C, respectievelijk).
- Daarnaast heeft de lage dichtheid van het aluminiumoxyde dat als gevolg van de reactie wordt gevormd de neiging om het te laten drijven op het resulterende zuivere metaal. Dit is bijzonder belangrijk voor het verminderen van verontreiniging in een las.
Hoewel de reactanten stabiel zijn bij kamertemperatuur, verbranden zij met een uiterst intense exotherme reactie wanneer zij worden verhit tot de ontbrandingstemperatuur. Door de hoge temperaturen (tot 2500 °C bij ijzer(III)oxide) ontstaan de producten als vloeistoffen, hoewel de werkelijk bereikte temperatuur afhangt van de snelheid waarmee de warmte aan de omgeving kan ontsnappen. Thermiet bevat zijn eigen zuurstofvoorraad en heeft geen externe luchtbron nodig. Bijgevolg kan het niet worden gesmoord en kan het in elke omgeving ontbranden bij voldoende initiële hitte. Het brandt goed als het nat is, en kan niet gemakkelijk met water worden gedoofd – hoewel genoeg water om voldoende hitte te verwijderen de reactie kan stoppen. Kleine hoeveelheden water koken voordat ze de reactie bereiken. Desondanks wordt thermiet gebruikt voor lassen onder water.
De thermieten worden gekenmerkt door bijna volledige afwezigheid van gasproductie tijdens verbranding, hoge reactietemperatuur, en productie van gesmolten slak. De brandstof moet een hoge verbrandingswarmte hebben en oxiden produceren met een laag smeltpunt en een hoog kookpunt. Het oxidatiemiddel moet ten minste 25% zuurstof bevatten, een hoge dichtheid en een lage warmte-ontwikkeling hebben, en metaal produceren met een laag smeltpunt en een hoog kookpunt (zodat de vrijgekomen energie niet wordt verbruikt bij de verdamping van de reactieproducten). Organische bindmiddelen kunnen aan de samenstelling worden toegevoegd om de mechanische eigenschappen te verbeteren, maar zij hebben de neiging endotherme ontledingsproducten te produceren, waardoor enige reactiewarmte verloren gaat en gassen worden geproduceerd.
De temperatuur die tijdens de reactie wordt bereikt, is bepalend voor het resultaat. In het ideale geval levert de reactie een goed gescheiden smelt van metaal en slak op. Daartoe moet de temperatuur hoog genoeg zijn om beide reactieproducten, het resulterende metaal en het brandstofoxide, te doen smelten. Een te lage temperatuur veroorzaakt een mengsel van gesinterd metaal en slak; een te hoge temperatuur (boven het kookpunt van een reactant of product) leidt tot een snelle gasproductie, waardoor het brandende reactiemengsel wordt verspreid, soms met effecten die lijken op een explosie met lage opbrengst. In samenstellingen die bedoeld zijn voor de productie van metaal door aluminotherme reactie, kunnen deze effecten worden tegengegaan. Een te lage reactietemperatuur (b.v. bij de productie van silicium uit zand) kan worden verhoogd door toevoeging van een geschikte oxidator (b.v. zwavel in aluminium-zwavel-zand samenstellingen); een te hoge temperatuur kan worden verlaagd door gebruik van een geschikte koelvloeistof en/of slakflux. De flux die vaak in amateursamenstellingen wordt gebruikt is calciumfluoride, omdat het slechts minimaal reageert, een relatief laag smeltpunt heeft, een lage smeltviscositeit bij hoge temperaturen (waardoor de vloeibaarheid van de slak toeneemt) en een eutectisch vormt met aluminiumoxide. Te veel flux verdunt de reactanten echter zodanig dat de verbranding niet meer kan doorgaan. Het type metaaloxide heeft ook een dramatische invloed op de hoeveelheid geproduceerde energie; hoe hoger het oxide, hoe hoger de hoeveelheid geproduceerde energie. Een goed voorbeeld is het verschil tussen mangaan(IV)oxide en mangaan(II)oxide, waarbij de eerste een te hoge temperatuur produceert en de tweede nauwelijks in staat is de verbranding in stand te houden; om goede resultaten te bereiken kan een mengsel met de juiste verhouding van beide oxiden worden gebruikt.
De reactiesnelheid kan ook worden afgestemd op de grootte van de deeltjes; grovere deeltjes verbranden langzamer dan fijnere deeltjes. Het effect is meer uitgesproken wanneer de deeltjes tot een hogere temperatuur moeten worden verhit om te beginnen met reageren. Bij nanothermieten wordt dit effect tot het uiterste doorgevoerd.
De temperatuur die bij de reactie wordt bereikt in adiabatische omstandigheden, wanneer geen warmte aan de omgeving verloren gaat, kan worden geschat met behulp van de wet van Hess – door de energie te berekenen die door de reactie zelf wordt geproduceerd (door de enthalpie van de reactanten af te trekken van de enthalpie van de producten) en door de energie af te trekken die wordt verbruikt bij het verwarmen van de producten (van hun specifieke warmte, wanneer de materialen alleen van temperatuur veranderen, en hun enthalpie van fusie en uiteindelijk enthalpie van verdamping, wanneer de materialen smelten of koken). In reële omstandigheden verliest de reactie warmte aan de omgeving, de bereikte temperatuur is dus iets lager. De warmteoverdrachtssnelheid is eindig, dus hoe sneller de reactie verloopt, hoe dichter bij de adiabatische toestand en hoe hoger de bereikte temperatuur.
IJzerthermietEdit
De meest voorkomende samenstelling is ijzerthermiet. De gebruikte oxidator is meestal ijzer(III)oxide of ijzer(II,III)oxide. De eerste produceert meer hitte. Het laatste is gemakkelijker te ontsteken, waarschijnlijk door de kristalstructuur van het oxide. Toevoeging van koper- of mangaanoxiden kan het ontstekingsgemak aanzienlijk verbeteren.De dichtheid van bereid thermiet is vaak zo laag als 0,7 g/cm3. Dit resulteert dan weer in een relatief lage energiedichtheid (ongeveer 3 kJ/cm3), snelle brandtijden, en verstuiving van gesmolten ijzer door de expansie van ingesloten lucht. Thermiet kan worden geperst tot dichtheden van wel 4,9 g/cm3 (bijna 16 kJ/cm3) met langzame verbrandingssnelheden (ongeveer 1 cm/s). Geperst thermiet heeft een hoger smeltvermogen, d.w.z. het kan een stalen beker smelten waar thermiet met een lage dichtheid zou falen. IJzerthermiet met of zonder toevoegingen kan worden geperst in snij-inrichtingen die zijn voorzien van een hittebestendige behuizing en een mondstuk.Zuurstofgebalanceerd ijzerthermiet 2Al + Fe2O3 heeft een theoretische maximale dichtheid van 4.175 g/cm3 een adiabatische verbrandingstemperatuur van 3135 K of 2862 °C of 5183 °F (met faseovergangen inbegrepen, beperkt door ijzer, dat bij 3135 K kookt), het aluminiumoxide is (kortstondig) gesmolten en het geproduceerde ijzer is meestal vloeibaar met een deel in gasvorm – 78,4 g ijzerdamp per kg thermiet wordt geproduceerd. De energie-inhoud bedraagt 945,4 cal/g (3 956 J/g). De energiedichtheid is 16 516 J/cm3.
Het oorspronkelijke mengsel, zoals uitgevonden, gebruikte ijzeroxide in de vorm van walshuid. De samenstelling was zeer moeilijk te ontsteken.
KoperthermietEdit
Koperthermiet kan worden bereid met koper(I)oxide (Cu2O, rood) of koper(II)oxide (CuO, zwart). De verbrandingssnelheid is over het algemeen zeer hoog en het smeltpunt van koper is relatief laag, zodat de reactie in zeer korte tijd een aanzienlijke hoeveelheid gesmolten koper oplevert. Koper(II)-thermietreacties kunnen zo snel verlopen dat het als een soort flitspoeder kan worden beschouwd. Er kan een explosie ontstaan, waarbij een nevel van koperdruppels over aanzienlijke afstanden wordt verspreid.Zuurstofmengsel heeft een theoretische maximale dichtheid van 5,109 g/cm3, een adiabatische vlamtemperatuur van 2843 K (faseovergangen inbegrepen), waarbij het aluminiumoxide gesmolten is en koper zowel in vloeibare als in gasvormige vorm voorkomt; per kg van dit thermiet wordt 343 g koperdamp geproduceerd. De energie-inhoud bedraagt 974 cal/g.
Koper(I)-thermiet heeft industriële toepassingen bij b.v. het lassen van dikke koperen geleiders (cadwelding). Dit soort lassen wordt ook geëvalueerd voor het lassen van kabels op de vloot van de US Navy, voor gebruik in systemen met hoge stromen, b.v. elektrische voortstuwing.Zuurstof-gebalanceerd mengsel heeft een theoretische maximale dichtheid van 5,280 g/cm3, adiabatische vlamtemperatuur 2843 K (faseovergangen inbegrepen), waarbij het aluminiumoxide gesmolten is en koper zowel in vloeibare als in gasvormige vorm; per kg van dit thermiet wordt 77,6 g koperdamp geproduceerd. De energie-inhoud bedraagt 575,5 cal/g.
ThermatenEdit
Thermate samenstelling is een thermiet verrijkt met een oxidator op zoutbasis (meestal nitraten, b.v. bariumnitraat, of peroxiden). In tegenstelling tot thermieten, branden thermaten met de evolutie van vlammen en gassen. De aanwezigheid van de oxidator maakt het mengsel gemakkelijker te ontsteken en verbetert de penetratie van het doel door de brandende samenstelling, aangezien het geëvolueerde gas de gesmolten slak projecteert en voor mechanische agitatie zorgt. Dit mechanisme maakt thermaat geschikter dan thermiet voor brandgevaarlijke doeleinden en voor de vernietiging van gevoelige apparatuur (b.v. cryptografische apparatuur) in noodsituaties, omdat het effect van thermiet meer gelokaliseerd is.