Thermitverfahren

Hallo liebe Freundinnen und Freunde der Chemie. Schön, dass ihr mich weiter begleitet, bei meiner Reise durch das Periodensystem der Elemente. 3. Hauptgruppe, 4. Teil: Aluminium. Wir befassten uns bereits mit den Aufgaben unter Teil c. Das Thema lautet Thermitverfahren. Das Thermitverfahren geht zurück auf Hans Goldschmidt, einen deutschen Chemiker und Unternehmer. Das Thermitverfahren, das man auch Goldschmidt-Verfahren nennt, wurde von Goldschmidt 1890 entdeckt und 1895 zum Patent angemeldet. Bevor wir zur Reaktionsgleichung kommen, möchte ich euch das Verfahren an einem einfachen Beispiel beschreiben. Wir haben einen feuerfesten Topf, zur Not geht auch ein Blumentopf. Er könnte allerdings während der Reaktion Schaden nehmen. Der Topf muss feuerfest sein. Ich zeichne die Wand extra dick ein, damit ihr das seht. Unten im Boden wird ein kleines Loch gelassen, auf das eine Platte gelegt wird, die aus einem Material besteht, das bei relativ niedrigen Temperaturen schmilzt. Es könnte zum Beispiel eine Zinnplatte sein. Das feuerfeste Töpfchen wird nun mit einem Gemisch aus zwei verschiedenen Substanzen gefüllt, welche man als Thermitmischung bezeichnet. Aber Vorsicht: Die Experimente sollte man mit relativ kleinen Mengen, nicht mehr als 10g Thermitmischung, beginnen. Die Thermitmischung besteht einmal aus Eisenoxid und die zweite Komponente ist elementares Aluminium. Metallisches Aluminium. Dieses Gemisch verhält sich sehr ruhig. Man muss ihm eine gewisse Aktivierungsenergie zufügen. Ich verweise auf das schöne Video von Götz. Schaut es euch an. Dazu verwendet man eine Zündkirsche. Die Zündkirsche könnte eine Wunderkerze sein, es könnte aber auch ein Stab sein, der geformt ist aus Bariumperoxid und aus Magnesium. Wenn man die Zündkirsche anzündet, erhält das Thermitgemisch die nötige Aktivierungsenergie, damit die beiden Komponenten Eisenoxid und Aluminium miteinander reagieren können. Die Reaktion verläuft sehr heftig. Es sprühen Funken, es wird sehr heiß und ist nicht ungefährlich. Man sollte zunächst, wenn man wenig Erfahrung hat, diese Reaktion wie gesagt mit kleinen Mengen im Freien durchführen. Am besten auf sandigen Boden. Und dabei einen Abstand von mindestens 5m einhalten. Es wird so heiß, dass das niedrig schmelzende Metall, welches die kleine Öffnung verdeckt, wegschmilzt, und das Reaktionsprodukt ausläuft. Es handelt sich dabei um flüssiges Eisen. Man bedenke: Eisen hat eine Schmelztemperatur von über 1500°C. Das Reaktionsgemisch wird in einem feuerfesten Gefäß, am besten aus einem hoch schmelzenden Metall oder einer hoch schmelzenden Metalllegierung, aufgefangen. Natürlich handelt es sich hierbei nicht einfach um eine Spielerei. Ich habe in der Literatur unterschiedliche Temperaturangaben von zwischen 2200 über 2500°C bis zu 3000°C gefunden. Die Reaktion ist äußerst lehrreich. Was passiert hier eigentlich? Nehmen wir an, wir haben das Eisenoxid Fe2O3. Dieses Eisenoxid liegt im Thermitgemisch zusammen mit elementarem metallischen Aluminium vor. Also Fe2O3 reagiert mit Al. Aluminium entzieht dem Eisen den Sauerstoff und es bildet sich Aluminiumoxid Al2O3. Gleichzeitig entsteht reines elementares, metallisches Eisen Fe. Eisen wird der Sauerstoff entzogen, Aluminium nimmt ihn auf. Diese Art von Reaktionen bezeichnet der Chemiker als Redoxreaktionen. Der Sauerstoff des Eisens reagiert mit dem Aluminium, das heißt, Aluminium wird oxidiert. Dieser Teil der Reaktion wird als Oxidation bezeichnet. Auf der anderen Seite entsteht aus Eisenoxid elementares, reines Eisen. Das Eisen verliert den Sauerstoff. Dieser Teil der Reaktion wird als Reduktion bezeichnet. Zusammen also Reduktion, Oxidation, Redoxreaktion. Neben dem Showeffekt und dem Lehreffekt gibt es auch eine ganz konkrete Anwendung für diese chemische Reaktion, die auch als Goldschmidt-Reaktion bezeichnet wird. Seit etwa 1920 wird das Thermitverfahren verwendet, um im Schienenbau Schienen zusammenzufügen. 2 Schienen werden aneinander, in geordneter Art und Weise, herangeführt und schließlich wird das Goldschmidt-Verfahren angewendet. Im Ergebnis des Goldschmidt-Verfahrens läuft flüssiges Eisen in die Lücke zwischen diesen beiden Schienen. Die Temperaturen, die erreicht werden, sind so hoch, dass die Oberflächen des festen Eisens an beiden Schienenstücken anfangen zu schmelzen. Im Endergebnis hat man einen Klebeeffekt bei höchster Temperatur. Die Schienen wachsen praktisch zusammen. Dieses Verfahren hat konkrete historische Wurzeln, aber man muss betonen, dass es auch bis heute große Anwendung findet. Sollte die Thermitreaktion versehentlich ausgelöst worden sein und es kommt zu Bränden, so muss man sich genau überlegen, welche Löschmethoden man verwendet. Das bekannteste und am meisten verbreitetste Löschmittel ist Wasser. Wasser ist aber nicht geeignet, weil bei diesen extremen Temperaturen Wasser sowohl mit Aluminium als auch mit Eisen reagiert. Es bilden sich jeweils Wasserstoff und die entsprechenden Metalloxide. Das heißt im Ergebnis, löschen mit Wasser ist nicht nur sinnlos, sondern äußerst gefährlich und treibt den Brandprozess weiter voran. Somit scheidet Wasser als Löschmittel aus. Es müssen bestimmte Speziallöschverfahren angewendet werden. Leider muss konstatiert werden, dass das Thermitverfahren in der Vergangenheit, aber auch in der modernen Gegenwart missbraucht wurde. Ein Beispiel für den Missbrauch des Thermitverfahrens ist die Verwendung von Brandbomben während des 2. Weltkrieges. Es gibt ernsthafte Hinweise darauf, dass im Schutt des World Trade Centers nach dem Anschlag Reste einer Thermitmischung gefunden wurden.  Fassen wir bei der Verwendung zusammen: 1. Schweißen von Schienen, 2. Brandbomben und Brandsätze, 3. Eisenherstellung. Nanu, Eisen wird doch so gar nicht hergestellt. Man könnte es auch so herstellen, wäre aber sinnlos, denn wir haben ja bereits aus den vorherigen Videos gelernt, dass Aluminium nur auf Kosten sehr großer Energiemengen hergestellt werden kann. Es wäre also sinnlos, es anstelle von Kohle Kohlenstoff für die Reduktion von Eisenoxid zu verwenden. Also Eisenherstellung scheidet aus.  So, und bevor ich das Video beende, möchte ich noch meine kleine Reaktionsgleichung ausgleichen. Richtig, da muss noch eine 2 hin. Und jetzt stimmt wirklich alles. Tschüss.