Θερμίτης

Ο θερμίτης είναι μια πυροτεχνική σύνθεση από μεταλλική σκόνη, καύσιμο και οξείδιο μετάλλου. Όταν αναφλέγεται από τη θερμότητα, ο θερμίτης υφίσταται μια εξώθερμη αντίδραση οξειδοαναγωγής. Οι περισσότερες συνθέσεις δεν είναι εκρηκτικές, αλλά μπορούν να δημιουργήσουν σύντομες εκρήξεις υψηλής θερμοκρασίας σε μικρή επιφάνεια. Η μορφή της αντίδρασης είναι παρόμοια με αυτή άλλων μειγμάτων καυσίμου-οξειδωτικού, όπως η μαύρη πυρίτιδα.
Οι θερμίτες έχουν ποικίλες συνθέσεις. Τα καύσιμα περιέχουν αργίλιο, μαγνήσιο, τιτάνιο, ψευδάργυρο, πυρίτιο και βόριο. Το αργίλιο είναι συνηθισμένο λόγω του υψηλού του σημείου βρασμού και του χαμηλού του κόστους. Τα οξειδωτικά συμπεριλαμβάνουν το οξείδιο του βορίου (ΙΙΙ), το διοξείδιο του πυριτίου, το οξείδιο του χρωμίου (III), το οξείδιο του μαγνησίου (IV), το οξείδιο του σιδήρου (III), το επιτεταρτοξείδιο του σιδήρου, το οξείδιο του χαλκού(II) και το οξείδιο του μολύβδου (II,IV).
Η αντίδραση χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση του θερμίτη καθώς και για την ένωση των σιδηροτροχιών. Οι θερμίτες χρησιμοποιούνται επίσης στην μεταλλουργία, στην καταστροφή πυρομαχικών και σε εμπρηστικά όπλα. Μερικά μείγματα παρόμοια με τον θερμίτη χρησιμοποιούνται ως πυροτεχνικοί εκκινητές σε πυροτεχνήματα.

Ιστορικό

Η αντίδραση θερμίτη ανακαλύφθηκε το 1893 και κατοχυρώθηκε το 1895 από τον Γερμανό χημικό Χανς Γκολντσμίντ (Hans Goldschmidt). Ως συνέπεια, λέγεται και  "αντίδραση ή διεργασία Γκόλντσμιντ". Ο Γκόλντσμιντ αρχικά ενδιαφερόταν να παραγάγει πολύ καθαρά μέταλλα αποφεύγοντας τη χρήση άνθρακα για την εξαγωγή μετάλλου από ορυκτό με τήξη, αλλά σύντομα ανακάλυψε την αξία του θερμίτη στη συγκόλληση.
Η πρώτη εμπορική εφαρμογή του θερμίτη ήταν η συγκόλληση των γραμμών του τραμ στο Έσσεν το 1899.

Θερμίτης σιδήρου

Η πιο συνηθισμένη σύνθεση είναι ο θερμίτης σιδήρου. Το χρησιμοποιούμενο οξειδωτικό είναι συνήθως είτε το οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου, είτε το οξείδιο δισθενούς και τρισθενούς σιδήρου. Το οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου παράγει περισσότερη θερμότητα. Το οξείδιο δισθενούς και τρισθενούς σιδήρου είναι πιο εύκολο στην ανάφλεξη, πιθανόν λόγω της κρυσταλλικής δομής του. Η προσθήκη οξειδίων του χαλκού και του μαγγανίου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ευκολία ανάφλεξης.
Το αρχικό μείγμα, όπως ανακαλύφθηκε, χρησιμοποιούσε οξείδιο του σιδήρου σε λειοτριβημένη μορφή. Η σύνθεση ήταν πολύ δύσκολη στην ανάφλεξη.

Θερμίτης χαλκού

Ο θερμίτης χαλκού μπορεί να παρασκευαστεί χρησιμοποιώντας είτε οξείδιο του μονοσθενούς χαλκού (Cu₂O, κόκκινο), είτε οξείδιο του δισθενούς χαλκού (CuO, μαύρο). Ο ρυθμός καύσης τείνει να είναι πολύ γρήγορος και το σημείο τήξης του χαλκού είναι σχετικά χαμηλό, έτσι η αντίδραση παράγει σημαντική ποσότητα τετηγμένου χαλκού σε πολύ σύντομο χρόνο. Οι αντιδράσεις θερμίτη του δισθενούς χαλκού  μπορεί να είναι τόσο γρήγορες που ο θερμίτης του χαλκού μπορεί να θεωρηθεί ως τύπος ακαριαίας σκόνης (flash powder). Μπορεί να συμβεί έκρηξη και να εκτοξευτούν σταγονίδια χαλκού σε σημαντική απόσταση.
Ο θερμίτης του μονοσθενούς χαλκού έχει βιομηχανικές χρήσεις π.χ. στη συγκόλληση χονδρών αγωγών χαλκού ("συγκόλληση Κάντγουελ"). Αυτό το είδος συγκόλλησης είναι κατάλληλο για την σύνδεση καλωδίων στο ναυτικό, για χρήση σε συστήματα με υψηλά ρεύματα, π.χ. στην ηλεκτρική προώθηση.

Θερμάτες

Η σύσταση του θερμάτη (Thermate) είναι η σύσταση του θερμίτη εμπλουτισμένη με οξειδωτικό με βάση άλας (συνήθως νιτρικά, π.χ. νιτρικό βάριο, ή υπεροξείδιο). Αντίθετα από τους θερμίτες, οι θερμάτες καίγονται με παραγωγή φλόγας και αερίων. Η παρουσία του οξειδωτικού κάνει πιο εύκολη την ανάμειξη του μείγματος και βελτιώνει τη διείσδυση, επειδή το αέριο προβάλλει τη λιωμένη σκουριά και παρέχει μηχανική ανακίνηση.  Αυτός ο μηχανισμός κάνει τον θερμάτη πιο κατάλληλο από τον θερμίτη για εμπρηστικούς σκοπούς και επείγουσα καταστροφή ευαίσθητου εξοπλισμού (π.χ. κρυπτογραφικών συσκευών), επειδή το αποτέλεσμα του θερμίτη είναι πιο εντοπισμένο.

Ανάφλεξη

Τα μέταλλα μπορούν να καούν κάτω από σωστές συνθήκες, παρόμοια με τη διεργασία καύσης του ξύλου ή της βενζίνης. Στην πραγματικότητα, η σκουριά είναι το αποτέλεσμα της οξείδωσης του χάλυβα ή του σιδήρου με πολύ αργούς ρυθμούς. Μια αντίδραση θερμίτη είναι μια διεργασία στην οποία συνδυάζεται και αναφλέγεται το σωστό μείγμα μεταλλικών καυσίμων. Η ίδια η ανάφλεξη απαιτεί πολύ υψηλές θερμοκρασίες.
Η ανάφλεξη μιας αντίδρασης θερμίτη απαιτεί κανονικά έναν σπινθήρα ή μια εύκολα αποκτήσιμη ταινία μαγνησίου, αλλά μπορεί να χρειάζεται επίπονες προσπάθειες, επειδή η ανάφλεξη μπορεί να είναι αναξιόπιστη και απρόβλεπτη. Αυτές οι θερμοκρασίες δεν μπορούν να επιτευχθούν με συμβατικούς πυροσωλήνες πυρίτιδας, ράβδους νιτροκυτταρίνης, πυροκροτητές, πυροτεχνικούς εκκινητές (pyrotechnic initiators), ή άλλες συνηθισμένες ουσίες ανάφλεξης. Ακόμα κι όταν ο θερμίτης είναι αρκετά θερμός ώστε να ακτινοβολεί  έντονο κόκκινα, δεν θα αναφλέξει επειδή πρέπει να είναι λευκοπυρωμένος ή κοντά σε αυτό το σημείο. Η εκκίνηση της αντίδρασης είναι δυνατή χρησιμοποιώντας καμινέτο προπανίου (propane torch) αν γίνει σωστά.
Συχνά, ταινίες από μέταλλο μαγνησίου χρησιμοποιούνται ως πυροκροτητές. Επειδή τα μέταλλα καίγονται χωρίς να απελευθερώνουν ψυκτικά αέρια, μπορούν δυνητικά να καούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Δραστικά μέταλλα όπως το μαγνήσιο μπορούν εύκολα να φτάσουν θερμοκρασίες αρκετά υψηλές για την ανάφλεξη του θερμίτη. Η ανάφλεξη με μαγνήσιο παραμένει δημοφιλής μεταξύ των ερασιτεχνών χρηστών του θερμίτη, κυρίως επειδή να ληφθεί εύκολα.
Η αντίδραση μεταξύ υπερμαγγανικού καλίου και γλυκερίνης ή αιθυλενογλυκόλης χρησιμοποιείται ως εναλλακτική μέθοδος ως προς το μαγνήσιο. Όταν αυτές οι δύο ουσίες αναμειγνύονται, ξεκινά μια αυθόρμητη αντίδραση, που αυξάνει αργά τη θερμοκρασία του μείγματος μέχρι να παραχθούν φλόγες. Η εκλυόμενη θερμότητα από την οξείδωση της γλυκερίνης είναι αρκετή για να ξεκινήσει μια αντίδραση θερμίτη.
Εκτός από την ανάφλεξη με μαγνήσιο, μερικοί ερασιτέχνες επιλέγουν επίσης τη χρήση σπινθήρων για την ανάφλεξη του μείγματος του θερμίτη. Αυτοί φθάνουν τις απαραίτητες θερμοκρασίες και παρέχουν αρκετό χρόνο πριν το σημείο καύσης φτάσει το δείγμα. Αυτό μπορεί να είναι επικίνδυνο, επειδή οι σπινθήρες σιδήρου, όπως οι ταινίες μαγνησίου, καίγονται σε θερμοκρασία χιλιάδων βαθμών και μπορούν να αναφλέξουν τον θερμίτη ακόμα κι όταν ο ίδιος ο σπινθήρας δεν είναι σε επαφή μαζί του. Αυτό είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο με λεπτά διαμερισμένες σκόνες θερμίτη.
Παρομοίως, λεπτά διαμερισμένος θερμίτης μπορεί να αναφλεγεί με αναπτήρα με τσακμάκι, επειδή οι σπινθήρες είναι καιόμενα μέταλλα (σε αυτήν την περίπτωση, οι πολύ δραστικές σπάνιες γαίες λανθάνιο και δημήτριο). Συνεπώς είναι επισφαλές το άναμμα ενός αναπτήρα κοντά στον θερμίτη.

Μη στρατιωτικές χρήσεις

Οι αντιδράσεις του θερμίτη έχουν πολλές χρήσεις. Ο θερμίτης δεν είναι εκρηκτικό· αντίθετα λειτουργεί εκθέτοντας μια πολύ μικρή επιφάνεια του μετάλλου σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Η έντονη θερμότητα που εστιάζεται σε μια μικρή επιφάνεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κοπή ή τη συγκόλληση μεταλλικών υλικών και με την τήξη του μετάλλου από τα υλικά και με την έγχυση τετηγμένου μετάλλου από την ίδια την αντίδραση του θερμίτη.
Ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επισκευή με την επιτόπια συγκόλληση χονδρών χαλύβδινων τμημάτων όπως πλαίσια αξόνων μηχανών τρένου, όπου η επισκευή μπορεί να λάβει χώρα χωρίς την αφαίρεση του τμήματος από την εγκατεστημένη του θέση.
Ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γρήγορη κοπή ή συγκόλληση χάλυβα όπως στις σιδηροδρομικές γραμμές, χωρίς να απαιτείται σύνθετος ή βαρύς εξοπλισμός. Όμως, ελαττώματα όπως εγκλίσεις σκουριών και κενά (τρύπες) εμφανίζονται συχνά σε τέτοιες ενώσεις με συγκόλληση και απαιτείται μεγάλη προσοχή για τη σωστή εκτέλεση της εργασίας. Πρέπει επίσης να ληφθεί φροντίδα για να εξασφαλιστεί ότι οι γραμμές παραμένουν ευθείες, χωρίς να καταλήγουν σε βυθισμένες ενώσεις, που μπορούν να προκαλέσουν φθορά σε υψηλές ταχύτητες και μεγάλα βάρη στους άξονες.
Μια αντίδραση θερμίτη, όταν χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό μεταλλευμάτων μερικών μετάλλων λέγεται αργιλιοθερμική αντίδραση. Μια τροποποίηση της αντίδρασης, χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη καθαρού ουρανίου, η οποία αναπτύχθηκε ως τμήμα του Προγράμματος Μανχάταν για την κατασκευή πυρηνικής βόμβας.
Ο θερμίτης χαλκού χρησιμοποιείται για να συγκολληθούν μαζί χονδρά σύρματα χαλκού για τις ηλεκτρικές συνδέσεις. Χρησιμοποιείται εκτεταμένα από ηλεκτρικές και τηλεπικοινωνιακές βιομηχανίες.

Στρατιωτικές χρήσεις

Οι χειροβομβίδες θερμίτη χρησιμοποιούνται συνήθως από ένοπλες δυνάμεις σε ρόλο απενεργοποίησης ή μερικής καταστροφής εξοπλισμού. Η χρήση του για μερική καταστροφή υλικού είναι συνηθισμένη όταν δεν υπάρχει διαθέσιμος χρόνος για πιο ασφαλή ή πιο αποτελεσματική μέθοδο. Παραδείγματος χάρη, ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επείγουσα καταστροφή κρυπτογραφικού εξοπλισμού όταν υπάρχει ο κίνδυνος σύλληψης από εχθρικά στρατεύματα. Επειδή ο τυπικός θερμίτης σιδήρου είναι δύσκολο να αναφλεγεί και καίγεται πρακτικά χωρίς φλόγα και με μικρή ακτίνα δράσης, ο τυπικός θερμίτης χρησιμοποιείται σπάνια μόνος του ως εμπρηστική σύνθεση. Χρησιμοποιείται συνήθως με άλλα υλικά που προστίθενται για να αυξήσουν τα εμπρηστικά του αποτελέσματα. Ο θερμάτης-ΤΗ3 (Thermate-TH3) είναι ένα μείγμα θερμίτη και πυροτεχνικών προσθέτων που έχει βρεθεί ότι είναι καλύτερος από τον τυπικό θερμίτη για εμπρηστικούς σκοπούς. Η σύστασή του είναι γενικά περίπου 68,7% θερμίτης, 29,0% νιτρικό βάριο, 2,0% θείοr και 0,3% ενός συνδετικού υλικού (όπως το πολυβουταδιένιο-ακρυλονιτρίλιο (PBAN). Η προσθήκη του νιτρικού βαρίου στον θερμίτη αυξάνει το θερμικό του αποτέλεσμα, παράγει μια πιο μεγάλη φλόγα και μειώνει σημαντικά τη θερμοκρασία ανάφλεξης. Αν και ο κύριος σκοπός του θερμάτη-ΤΗ3 στις ένοπλες δυνάμεις είναι ως εμπρηστικό όπλο κατά εξοπλισμού, έχει επίσης χρήσεις στη συγκόλληση μαζί με μεταλλικά υλικά.
Μια κλασική στρατιωτική χρήση του θερμίτη είναι η απενεργοποίηση τμημάτων πυροβολικού και χρησιμοποιείται για αυτόν τον σκοπό από τον Β΄παγκόσμιο πόλεμο, όπως στη Νορμανδία. Ο θερμίτης μπορεί να απενεργοποιήσει μονίμως τμήματα κανονιού χωρίς τη χρήση εκρηκτικών και συνεπώς ο θερμίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν είναι απαραίτητη η σιγή σε μια επιχείρηση. Αυτό μπορεί να γίνει εισάγοντας μια ή περισσότερες οπλισμένες χειροβομβίδες θερμίτη στο πυγαίο του όπλου και κλείνοντας το έπειτα γρήγορα· αυτό συγκολλά το κλείστρο του πυγαίου και κάνει αδύνατη τη φόρτωση του όπλου. Εναλλακτικά, μια αφοπλισμένη χειροβομβίδα θερμίτη μες τη κάννη του κανονιού θα μπλοκάρει την κάννη, κάνοντας το κανόνι πολύ επικίνδυνο στη χρήση του· ο θερμίτης μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να συγκολλήσει τον μηχανισμό παλινδρόμησης και ανύψωσης του κανονιού, κάνοντας αδύνατη τη σωστή στόχευση.
Ο θερμίτης χρησιμοποιήθηκε από τους εμπόλεμους για εμπρηστικές βόμβες (incendiary bombs) κατά τη διάρκεια του Β΄ παγκοσμίου πολέμου. Οι εμπρηστικές βόμβες αποτελούνται συνήθως από δεκάδες λεπτά βλήματα γεμάτα με θερμίτη (βομβίδια) που αναφλέγονται με μαγνήσιο. Οι εμπρηστικές βόμβες δημιουργούν τεράστιες ζημιές σε πολλές πόλεις λόγω των πυρκαγιών που ξεκινούν με τον θερμίτη. Οι πόλεις που αποτελούνται κυρίως από ξύλινα κτίρια είναι ιδιαίτερα ευπαθείς. Αυτές οι εμπρηστικές βόμβες χρησιμοποιήθηκαν κυρίως στον βομβαρδισμό του Τόκιο κατά τη διάρκεια νυχτερινών αεροπορικών επιδρομών. Σκοπευτικά όργανα δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν τη νύχτα, δημιουργώντας την ανάγκη για χρήση εξοπλισμού που μπορούσε να καταστρέψει στόχους χωρίς την ανάγκη ακριβούς τοποθέτησης.

Κίνδυνοι

Η χρήση του θερμίτη είναι επικίνδυνη λόγω των εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών που παράγονται και της πολύ μεγάλης δυσκολίας άμβλυνσης της αντίδρασης όταν ξεκινήσει. Μικρές ροές λιωμένου απελευθερούμενου σιδήρου στην αντίδραση μπορούν να διανύσουν σημαντικές αποστάσεις ναι μπορούν να λιώσουν μεταλλικά δοχεία, αναφλέγοντας τα περιεχόμενά τους. Επιπλέον, εύφλεκτα μέταλλα με σχετικά χαμηλά σημεία βρασμού όπως ο ψευδάργυρος (με σημείο ζέσης 907 °C, που είναι περίπου 1.370 °C κάτω από τη θερμοκρασία στην οποία καίγεται ο θερμίτης) μπορούν, δυνητικά, να ψεκάσουν υπέρθερμα μέταλλα που βράζουν βίαια στον αέρα αν είναι κοντά σε μια αντίδραση θερμίτη.
Αν, για κάποιο λόγο, ο θερμίτης έχει μολυνθεί με οργανικές ουσίες, ένυδρα οξείδια και άλλες ενώσεις που μπορούν να παραγάγουν αέρια κατά τη θέρμανση ή την αντίδραση με συστατικά του θερμίτη, τα προϊόντα της αντίδρασης μπορούν να ψεκαστούν. Επιπλέον, αν το μείγμα του θερμίτη περιέχει αρκετούς κενούς χώρους με αέρα και καεί αρκετά γρήγορα, ο υπέρθερμος αέρας μπορεί επίσης να προκαλέσει τον ψεκασμό του μείγματος. Για τον λόγο αυτό είναι προτιμότερη η χρήση σχετικά αδρών κόνεων, έτσι ώστε να μετριαστεί ο ρυθμός της αντίδρασης και τα καυτά αέρια να μπορούν να διαφύγουν από τη ζώνη της αντίδρασης.
Η προθέρμανση του θερμίτη πριν την ανάφλεξη μπορεί να γίνει εύκολα κατά τύχη, π.χ. προσθέτοντας μια νέα στρώση θερμίτη πάνω από μια καυτή, πρόσφατα αναφλεγείσα στρώση σκωρία θερμίτη. Όταν αναφλεγεί, ο προθερμασμένος θερμίτης μπορεί να αναφλεγεί σχεδόν ακαριαία, απελευθερώνοντας φως και θερμότητα με πολύ υψηλότερο ρυθμό από ότι κανονικά, προκαλώντας εγκαύματα και βλάβη στα μάτια σε αποστάσεις πέρα από αυτές που κανονικά θα ήταν ασφαλείς.
Η αντίδραση του θερμίτη μπορεί να λάβει χώρα τυχαία σε βιομηχανικές περιοχές όπου χρησιμοποιούνται λειαντικοί τροχοί με σιδηρούχα μεταλλεύματα. Η χρήση αργιλίου σε αυτήν την περίπτωση παράγει ένα μείγμα από οξείδια που μπορούν να προκαλέσουν μια βίαιη έκρηξη.
Η ανάμειξη νερού με τον θερμίτη ή η προσθήκη νερού στον καιόμενο θερμίτη μπορεί να προκαλέσει έκρηξη ατμού, με ψεκασμό καυτών κομματιών προς όλες τις κατευθύνσεις.