Thermitreaktion

Die exotherme chemische Reaktion zwischen Eisenoxid und Aluminium, die umgangssprachlich Umsetzung genannt wird, liefert bei einer Temperatur von ca. 2400 °C flüssiges, kohlenstoffarmes Eisen und flüssige Aluminium-Schlacke (Aluminiumoxid, Korund):[1][2]

${\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+2\ Al\longrightarrow 2\ Fe+Al_{2}O_{3};\Delta H={-}851{,}5\ {\frac {kJ}{mol}}} }$

Bei der Bildung von Al₂O₃ aus den Elementen werden 1675,7 kJ/mol frei, und bei der Bildung von Fe₂O₃ aus den Elementen werden 824,2 kJ/mol frei:[3]

${\displaystyle \mathrm {2\ Al+{\frac {3}{2}}\ O_{2}\longrightarrow Al_{2}O_{3};\Delta H={-}1675,7\ {\frac {kJ}{mol}}} }$

${\displaystyle \mathrm {2\ Fe+{\frac {3}{2}}\ O_{2}\longrightarrow Fe_{2}O_{3};\Delta H={-}824,2\ {\frac {kJ}{mol}}} }$

Für die Bildung des Al₂O₃ aus dem Fe₂O₃ muss dieses erst zerlegt werden, und dazu sind 824,2 kJ/mol aufzuwenden. Bei der Bildung des Al₂O₃ werden daher in diesem Fall insgesamt nur 1675,7 – 824,2 = 851,5 kJ/mol freigesetzt.[3]

Eine der Herausforderungen beim Thermit-Schweißen ist die Heftigkeit der Reaktion. Um zu vermeiden, dass sie so lebhaft ist, dass der Inhalt des Tiegels überkocht und Metall und Schlacke gleichermaßen verloren gehen, wird oft nicht-magnetisches Hämatit durch magnetisches Magnetit ersetzt, das aus dem Zunder von Walzwerken gewonnen werden kann:[4][5]

${\displaystyle \mathrm {3\ Fe_{3}O_{4}+8\ Al\longrightarrow 9\ Fe+4\ Al_{2}O_{3}} }$

Nach dem gleichen Verfahren (Aluminothermie) können außer Eisen und Stahl auch andere Metalle wie Kupfer, Nickel, Titan, Chrom und Mangan erzeugt oder beigemengt werden, z. B.:

${\displaystyle \mathrm {3\ Cu_{2}O+2Al\longrightarrow 6\ Cu+Al_{2}O_{3}} }$

${\displaystyle \mathrm {3\ NiO+2\ Al\longrightarrow 3\ Ni+Al_{2}O_{3}} }$

${\displaystyle \mathrm {3\ TiO_{2}+4\ Al\longrightarrow 3\ Ti+2\ Al_{2}O_{3}} }$

Das Thermitverfahren wurde 1894 von dem deutschen Chemiker Hans Goldschmidt entwickelt und wird bis heute zum aluminothermischen Verschweißen von Schienenstößen verwendet.

1898 demonstrierte man während der Hauptversammlung der Deutschen elektrotechnischen Gesellschaft die praktische Bedeutung der Erfindung, indem man während eines Vortrags von Hans Goldschmidt „einen drei Kilo schweren Eisenbolzen weißglühend machte und einen Flansch auf ein Eisenrohr löthete“.[6] Zwei Jahre später führte Hans Goldschmidt sein Verfahren an der TH Hannover vor: „Temperaturen von mehr als 3000 Grad nehmen Operationen von 2 bis 3 Minuten in Anspruch. Die Operation verläuft so rasch, daß der Tiegel kalt bleibt und in die Hand genommen werden kann“.[7]

Bereits im Jahre 1900 wurden in Essen und Braunschweig die Straßenbahnschienen nach dem Thermitverfahren verschweißt.[7]

Wilhelm Ostwald nannte die Thermitreaktion „ein Schmiedefeuer und einen Hochofen in der Westentasche“.[8]

Hans Goldschmidt betrieb als Gutsbesitzer in Paulinenaue von 1918 bis zu seinem Tod eine Forschungswerkstatt mit Schweißerei und Tischlerei.[9][10][11]

Aluminothermische Schweißgemische sind keine Explosivstoffe und lassen sich nur durch eine sehr große Wärmezufuhr (Aktivierungsenergie) zur Umsetzung (Entzündung) bringen. Die Entzündungstemperatur des für Schweißzwecke verwendeten Zusatzwerkstoffes liegt bei über 1500 °C; diese wird mit einem pyrotechnischen Anzünder erreicht, aber auch ein einfacher Magnesiumstab kann die benötigte Energie und Temperatur liefern. Auch ein Gasbrenner mit Propan und Sauerstoff eignet sich als Anzünder. Als Sicherheitsmaßnahme werden Thermitschweißmassen und -anzünder getrennt gelagert, damit bei einem Brand eventuell brennende Anzünder nicht in die Schweißmasse fallen.

Die volumen- oder gewichtsmäßig bezogene Energiedichte (spezifische Enthalpie) von aluminothermischen Schweißmassen ist wesentlich geringer als diejenige von Stoffen, die mit Luftsauerstoff verbrennen (Leichtmetalle, Phosphor, Benzine, Benzol, Napalm II). Vergleich: Aluminothermische Schweißportionen besitzen ca. ein Viertel der spezifischen Enthalpie von Holz. Dies liegt daran, dass das in diesen Portionen enthaltene Eisenoxid überhaupt keine Energie liefert, sondern erst in metallisches Eisen und Sauerstoffionen zerlegt werden muss, was einen beträchtlichen Energieaufwand erfordert.

Da reagierende aluminothermische Schweißportionen keinen externen Sauerstoff benötigen, kann die Reaktion nicht erstickt werden und in jeder Umgebung – auch unter Sand oder Wasser – gezündet werden und weiterbrennen.

Löschversuche mit Wasser sowie Feuchtigkeit führen zu einer weiteren Redoxreaktion, in der das Wasser von den unedleren Metallen reduziert wird und so Metalloxid und Wasserstoff entstehen:

${\displaystyle \mathrm {2\ Al+3H_{2}O\longrightarrow 3\ H_{2}+Al_{2}O_{3}} }$

${\displaystyle \mathrm {2\ Fe+3H_{2}O\longrightarrow 3\ H_{2}+Fe_{2}O_{3}} }$

Der dabei entstehende Wasserstoff reagiert bei diesen Temperaturen wieder mit Luftsauerstoff zu Wasser, das wiederum mit Aluminium und Eisen reagiert. Die Anwesenheit von Wasser stellt daher eine große Gefahr bei der aluminothermischen Reaktion dar und führt zum explosionsartigen Ausschleudern glutflüssiger Stoffe sowie zu explosionsfähigen Wasserstoff-Sauerstoff-Mischungen (Knallgas). Aluminothermische Gemische müssen daher trocken gelagert werden. Schweißstellen im Gleisbau werden in der Regel zuvor mit einem Gasbrenner auf über 100 °C erhitzt, um sie zu trocknen.

Die Anwendungen von aluminothermischen Reaktionen sind vielfältig. Die häufigste Anwendung ist die Reduktion von Eisen(III)-oxid, wobei Temperaturen von über 2000 °C erreicht werden können:

1. Stephan Kallee: Thermitschweißen – Aluminothermisches Schweißen von Eisenbahnschienen.
2. Gleisbau-Welt: Alu-Thermit Schweißen.
3. Peter W. Atkins und Julio de Paula, übersetzt von Michael Bär: Physikalische Chemie 5. Auflage März 2013, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN 978-3-527-33247-2.
4. Stephan Kallee: Thermit-Prozess um 1910 – Eine der ersten unabhängigen Veröffentlichungen zum aluminothermischen Schweißen in Amerika.
5. Richard N. Hart: The Thermit Process. In: Welding Theory, Practice, Apparatus and Tests. Electric, Thermit and Hot-Flame Processes. McGraw-Hill Book Company, London, 1910, S. 152–153 und 121–158.
6. Neues aus der Naturkunde. In: Neues Wiener Tagblatt. Demokratisches Organ / Neues Wiener Abendblatt. Abend-Ausgabe des („)Neuen Wiener Tagblatt(“) / Neues Wiener Tagblatt. Abend-Ausgabe des Neuen Wiener Tagblattes / Wiener Mittagsausgabe mit Sportblatt / 6-Uhr-Abendblatt / Neues Wiener Tagblatt. Neue Freie Presse – Neues Wiener Journal / Neues Wiener Tagblatt, 11. Juni 1898, S. 2 (online bei ANNO).Vorlage:ANNO/Wartung/nwg
7. Hohe Temperaturen durch Aluminium. In: Neue Freie Presse, 10. Juni 1900, S. 6 (online bei ANNO).Vorlage:ANNO/Wartung/nfp
8. Vermischtes. Das Aluminium im Krieg.: Der Bautechniker, Jahrgang 1917, S. 468 (online bei ANNO).Vorlage:ANNO/Wartung/bau
9. Stephan Kallee: Aluminothermie – Aluminothermisches Schweißen von Straßenbahnschienen.
10. Hans Goldschmidt: Alumino-Thermics and Rail Welding. Abstract of lecture before the Columbia University Chemical Society, 13 November 1903.
11. Paulinenaue als Wissenschaftsstandort. In: Paulinenaue. Abgerufen am 18. Dezember 2019 (deutsch).
12. Daniel Liebthal: Schienenschweißen in Perfektion. In: Der Eisenbahningenieur. Band 71, Nr. 3, März 2020, ISSN 0013-2810, S. 39–42.
13. Johannes Braun, Jörg Keichel und Andreas Peters: Aluminothermisches Schweißen: Tradition und Innovation im lückenlosen Gleis (Aluminothermic welding: tradition and innovation in continuously welded track). In: Infrastruktur Network ZEVrail, Nr. 139, 10. Oktober 2015, S. 382–389.
14. Webseite Gleisbau-Welt (Memento vom 18. März 2004 im Internet Archive), Schweißverfahren, Matthias Müller, Thorsten Schaeffer, 2003–2012, abgerufen 20. April 2019.
15. Lothar Fendrich (Hrsg.): Handbuch Eisenbahninfrastruktur. Band 10, Springer Berlin 2006, ISBN 3-540-29581-X, S. 317–319.
16. Abgeordnetenhaus Berlin: Kleine Anfrage der Abgeordneten Claudia Hämmerling (Bündnis 90/Die Grünen) vom 19. November 2010 und Antwort Viel Lärm um nichts am Karower Kreuz und wie sicher ist die Stettiner Bahn? (Drucksache 16 / 14 932).
17. Stephan Kallee: Thermit in der Praxis – Erste Anwendungen des aluminothermischen Schweißens in den USA bis 1905.
18. Ernest Stütz: The Thermit Process in American Practice. Vorgetragen bei Meeting der American Society for Testing Materials im Juni 1905. In: The Iron and Steel Magazine, September 1905, S. 212–221.
19. Patent US5092921.
20. Patent US5152830.
21. Versuch 69: Thermit-Verfahren. auf: lp.uni-goettingen.de.
22. Rundverfügung des Landesoberbergamtes NRW Nr. 18.23.2-5-16, vom 16. Juni 1984 mit Anlagen.
23. Technische Regeln für Betriebssicherheit, TRBS 2152 Teil 3. Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre – Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre.

Wikibooks: Anorganische Chemie für Schüler/ Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm#Die Thermitreaktion – Lern- und Lehrmaterialien

• Animation: Thermitschweißverfahren