Rotes Eisen(III)-Oxid (Fe2O3, allgemein bekannt als Rost) ist das häufigste Eisenoxid, das in Thermit verwendet wird. Magnetit funktioniert ebenfalls. Andere Oxide werden gelegentlich verwendet, z. B. MnO2 in Mangan-Thermit, Cr2O3 in Chrom-Thermit, Quarz in Silizium-Thermit oder Kupfer(II)-oxid in Kupfer-Thermit, aber nur für spezielle Zwecke. In all diesen Beispielen wird Aluminium als reaktives Metall verwendet. Fluorpolymere können in speziellen Formulierungen verwendet werden, wobei Teflon mit Magnesium oder Aluminium ein relativ häufiges Beispiel ist. Magnesium/Teflon/Viton ist ein weiteres Pyrolysemittel dieser Art.
Kombinationen aus Trockeneis (gefrorenes Kohlendioxid) und Reduktionsmitteln wie Magnesium, Aluminium und Bor folgen der gleichen chemischen Reaktion wie bei herkömmlichen Thermit-Mischungen, wobei Metalloxide und Kohlenstoff entstehen. Trotz der sehr niedrigen Temperatur einer Trockeneis-Thermit-Mischung ist ein solches System in der Lage, mit einer Flamme gezündet zu werden. Wenn die Bestandteile fein verteilt, in einem Rohr eingeschlossen und wie ein herkömmlicher Sprengstoff scharf gemacht werden, ist dieses Kryothermit zündfähig und ein Teil des bei der Reaktion freigesetzten Kohlenstoffs entsteht in Form von Diamant.
Im Prinzip könnte jedes reaktive Metall anstelle von Aluminium verwendet werden. Das wird aber selten gemacht, weil die Eigenschaften von Aluminium für diese Reaktion nahezu ideal sind:
- Es ist das mit Abstand billigste der hochreaktiven Metalle. Im Dezember 2014 lag der Preis für Zinn beispielsweise bei 19.829 US$/t, für Zink bei 2.180 US$/t und für Aluminium bei 1.910 US$/t.
- Es bildet eine Passivierungsschicht und ist dadurch sicherer in der Handhabung als viele andere reaktive Metalle.
- Sein relativ niedriger Schmelzpunkt (660 °C) bedeutet, dass das Metall leicht zu schmelzen ist, so dass die Reaktion hauptsächlich in der flüssigen Phase ablaufen kann und somit relativ schnell verläuft.
- Sein hoher Siedepunkt (2519 °C) ermöglicht es der Reaktion, sehr hohe Temperaturen zu erreichen, da verschiedene Prozesse dazu neigen, die maximale Temperatur auf knapp unter den Siedepunkt zu begrenzen. Ein solch hoher Siedepunkt ist bei Übergangsmetallen üblich (z. B. sieden Eisen und Kupfer bei 2887 bzw. 2582 °C), aber besonders ungewöhnlich bei den hochreaktiven Metallen (vgl. Magnesium und Natrium, die bei 1090 bzw. 883 °C sieden).
- Darüber hinaus führt die geringe Dichte des durch die Reaktion gebildeten Aluminiumoxids dazu, dass es auf dem entstehenden reinen Metall schwimmt. Dies ist besonders wichtig für die Reduzierung von Verunreinigungen in einer Schweißnaht.
Obwohl die Reaktanten bei Raumtemperatur stabil sind, verbrennen sie mit einer extrem intensiven exothermen Reaktion, wenn sie auf Zündtemperatur erhitzt werden. Die Produkte treten aufgrund der erreichten hohen Temperaturen (bis zu 2500 °C bei Eisen(III)-oxid) als Flüssigkeiten aus – wobei die tatsächlich erreichte Temperatur davon abhängt, wie schnell die Wärme an die Umgebung entweichen kann. Thermit enthält einen eigenen Sauerstoffvorrat und benötigt keine äußere Luftzufuhr. Folglich kann es nicht erstickt werden und kann sich in jeder Umgebung entzünden, wenn es eine ausreichende Anfangshitze hat. Es brennt gut, wenn es nass ist, und kann nicht einfach mit Wasser gelöscht werden – obwohl genug Wasser, um genügend Wärme zu entfernen, die Reaktion stoppen kann. Kleine Mengen Wasser kochen, bevor sie die Reaktion erreichen. Trotzdem wird Thermit zum Schweißen unter Wasser verwendet.
Die Thermite zeichnen sich dadurch aus, dass bei der Verbrennung fast kein Gas entsteht, die Reaktionstemperatur hoch ist und geschmolzene Schlacke entsteht. Der Brennstoff sollte eine hohe Verbrennungswärme haben und Oxide mit niedrigem Schmelzpunkt und hohem Siedepunkt erzeugen. Das Oxidationsmittel sollte mindestens 25 % Sauerstoff enthalten, eine hohe Dichte und eine niedrige Bildungswärme aufweisen und Metall mit niedrigem Schmelz- und hohem Siedepunkt erzeugen (damit die freigesetzte Energie nicht durch Verdampfung der Reaktionsprodukte verbraucht wird). Organische Bindemittel können der Zusammensetzung hinzugefügt werden, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, aber sie neigen dazu, endotherme Zersetzungsprodukte zu erzeugen, was einen gewissen Verlust an Reaktionswärme und die Produktion von Gasen verursacht.
Die während der Reaktion erreichte Temperatur bestimmt das Ergebnis. Im Idealfall erzeugt die Reaktion eine gut getrennte Schmelze aus Metall und Schlacke. Dazu muss die Temperatur hoch genug sein, um beide Reaktionsprodukte, das entstehende Metall und das Brennstoffoxid, zu schmelzen. Eine zu niedrige Temperatur führt zu einem Gemisch aus gesintertem Metall und Schlacke; eine zu hohe Temperatur (oberhalb des Siedepunkts eines beliebigen Reaktanten oder Produkts) führt zu einer schnellen Gasproduktion, die das brennende Reaktionsgemisch zerstreut, manchmal mit Effekten ähnlich einer Explosion mit geringer Ausbeute. In Zusammensetzungen, die für die Herstellung von Metall durch aluminothermische Reaktion vorgesehen sind, kann diesen Effekten entgegengewirkt werden. Eine zu niedrige Reaktionstemperatur (z. B. bei der Herstellung von Silizium aus Sand) kann durch Zugabe eines geeigneten Oxidationsmittels (z. B. Schwefel in Aluminium-Schwefel-Sand-Zusammensetzungen) erhöht werden; eine zu hohe Temperatur kann durch Verwendung eines geeigneten Kühlmittels und/oder Schlackenflussmittels reduziert werden. Das in Amateurzusammensetzungen häufig verwendete Flussmittel ist Kalziumfluorid, da es nur minimal reagiert, einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und eine geringe Schmelzviskosität bei hohen Temperaturen aufweist (und somit die Fließfähigkeit der Schlacke erhöht) und mit Aluminiumoxid ein Eutektikum bildet. Zu viel Flussmittel verdünnt jedoch die Reaktanten bis zu dem Punkt, an dem sie die Verbrennung nicht mehr aufrechterhalten können. Die Art des Metalloxids hat auch einen dramatischen Einfluss auf die Menge der erzeugten Energie; je höher das Oxid, desto höher die erzeugte Energiemenge. Ein gutes Beispiel ist der Unterschied zwischen Mangan(IV)-oxid und Mangan(II)-oxid, wobei ersteres eine zu hohe Temperatur erzeugt und letzteres kaum in der Lage ist, die Verbrennung aufrechtzuerhalten; um gute Ergebnisse zu erzielen, kann eine Mischung mit dem richtigen Verhältnis beider Oxide verwendet werden.
Die Reaktionsgeschwindigkeit kann auch mit der Partikelgröße abgestimmt werden; gröbere Partikel brennen langsamer als feinere. Der Effekt ist ausgeprägter, wenn die Partikel auf eine höhere Temperatur erhitzt werden müssen, um die Reaktion zu starten. Dieser Effekt wird bei Nanothermiten auf die Spitze getrieben.
Die Temperatur, die bei der Reaktion unter adiabatischen Bedingungen, wenn keine Wärme an die Umgebung verloren geht, erreicht wird, kann mit Hilfe des Hess’schen Gesetzes abgeschätzt werden – durch Berechnung der Energie, die durch die Reaktion selbst erzeugt wird (indem die Enthalpie der Reaktanten von der Enthalpie der Produkte abgezogen wird) und durch Subtraktion der Energie, die durch das Erhitzen der Produkte verbraucht wird (aus ihrer spezifischen Wärme, wenn die Materialien nur ihre Temperatur ändern, und ihrer Schmelzenthalpie und eventuell Verdampfungsenthalpie, wenn die Materialien schmelzen oder sieden). Unter realen Bedingungen verliert die Reaktion Wärme an die Umgebung, die erreichte Temperatur ist daher etwas niedriger. Die Wärmeübertragungsrate ist endlich, also je schneller die Reaktion abläuft, desto näher am adiabatischen Zustand verläuft sie und desto höher ist die erreichte Temperatur.
Eisenthermit
Die häufigste Zusammensetzung ist Eisenthermit. Das verwendete Oxidationsmittel ist in der Regel entweder Eisen(III)-oxid oder Eisen(II,III)-oxid. Ersteres erzeugt mehr Hitze. Letzteres ist leichter zu entzünden, was wahrscheinlich an der Kristallstruktur des Oxids liegt. Durch Zugabe von Kupfer- oder Manganoxiden kann die Zündwilligkeit deutlich verbessert werden. 0,7 g/cm3 ist die Dichte von präpariertem Thermit. Dies wiederum führt zu einer relativ geringen Energiedichte (ca. 3 kJ/cm3), schnellen Brennzeiten und dem Versprühen von geschmolzenem Eisen aufgrund der Ausdehnung der eingeschlossenen Luft. Thermit kann auf Dichten bis zu 4,9 g/cm3 (fast 16 kJ/cm3) gepresst werden, bei langsamen Brenngeschwindigkeiten (etwa 1 cm/s). Gepresstes Thermit hat eine höhere Schmelzleistung, d. h. es kann einen Stahlbecher schmelzen, wo ein Thermit mit geringer Dichte versagen würde. Eisenthermit mit oder ohne Zusätze kann in Schneidgeräte gepresst werden, die ein hitzebeständiges Gehäuse und eine Düse haben.sauerstoffbilanziertes Eisenthermit 2Al + Fe2O3 hat eine theoretische maximale Dichte von 4.175 g/cm3 eine adiabatische Verbrennungstemperatur von 3135 K bzw. 2862 °C oder 5183 °F (inklusive Phasenübergänge, begrenzt durch Eisen, das bei 3135 K siedet), das Aluminiumoxid ist (kurzzeitig) geschmolzen und das erzeugte Eisen ist größtenteils flüssig mit einem Teil in gasförmiger Form – es entstehen 78,4 g Eisendampf pro kg Thermit. Der Energiegehalt beträgt 945,4 cal/g (3 956 J/g). Die Energiedichte beträgt 16 516 J/cm3.
Die ursprüngliche Mischung, wie sie erfunden wurde, verwendete Eisenoxid in Form von Walzzunder. Die Zusammensetzung war sehr schwer zu zünden.
Kupferthermit
Kupferthermit kann entweder mit Kupfer(I)-oxid (Cu2O, rot) oder Kupfer(II)-oxid (CuO, schwarz) hergestellt werden. Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist tendenziell sehr schnell und der Schmelzpunkt von Kupfer ist relativ niedrig, so dass die Reaktion eine erhebliche Menge an geschmolzenem Kupfer in sehr kurzer Zeit erzeugt. Kupfer(II)-Thermit-Reaktionen können so schnell ablaufen, dass sie als eine Art Blitzpulver betrachtet werden können. Ein mit Sauerstoff ausgeglichenes Gemisch hat eine theoretische maximale Dichte von 5,109 g/cm3, eine adiabatische Flammentemperatur von 2843 K (einschließlich Phasenübergänge), wobei das Aluminiumoxid geschmolzen ist und Kupfer sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form vorliegt; pro kg dieses Thermits werden 343 g Kupferdampf erzeugt. Der Energiegehalt beträgt 974 cal/g.
Kupfer(I)-Thermit findet industrielle Anwendung z. B. beim Schweißen von dicken Kupferleitern (Cadwelding). Diese Art des Schweißens wird auch für das Spleißen von Kabeln auf der US-Marineflotte evaluiert, für den Einsatz in Hochstromsystemen, z. B. für elektrische Antriebe.
Das Sauerstoff-balancierte Gemisch hat eine theoretische maximale Dichte von 5.280 g/cm3, eine adiabatische Flammentemperatur von 2843 K (Phasenübergänge eingeschlossen), wobei das Aluminiumoxid geschmolzen ist und Kupfer sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form vorliegt; pro kg dieses Thermits werden 77,6 g Kupferdampf erzeugt. Der Energiegehalt beträgt 575,5 cal/g.
ThermateBearbeiten
Thermate sind Thermite, die mit einem Oxidationsmittel auf Salzbasis (meist Nitrate, z. B. Bariumnitrat, oder Peroxide) angereichert sind. Im Gegensatz zu Thermiten brennen Thermate unter Entwicklung von Flammen und Gasen. Das Vorhandensein des Oxidationsmittels macht die Mischung leichter zündbar und verbessert die Durchdringung des Ziels durch die brennende Zusammensetzung, da das entstehende Gas die geschmolzene Schlacke aufwirbelt und für mechanische Bewegung sorgt. Dieser Mechanismus macht Thermat geeigneter als Thermit für Brandzwecke und für die Notfallzerstörung empfindlicher Geräte (z. B. kryptographische Geräte), da die Wirkung von Thermit stärker lokalisiert ist.