Termitas (medžiaga)

Termitas – padegamasis mišinys, kurį sudaro metalinis aliuminis ir metalo oksidas (paprastai geležies oksidas).

Įžanga 
Termito veikimas pagrįstas termitine reakcija. Termitinė reakcija priklauso aliuminoterminių reakcijų tipui, kuriose metalinis aliuminis yra oksiduojamas kito metalo (dažniausiai geležies) oksidu.
Reakcijos produktai yra aliuminio oksidas, laisva metalinė geležis ir didžiulis kiekis šilumos. Reagentai dažniausiai yra gerai susmulkinti ir sumaišyti su rišikliu, kad termitas būtų kietas ir vientisas. Termitas naudojamas termitiniam suvirinimui, dažnai skirtu bėgiams sujungti.

Termito rūšys 
Termituose naudojami oksidai:
 Fe3O4 – Juodas arba mėlynas geležies oksidas, susidaranti oksiduojant geležį deguonies atmosferoje aukštoje temperatūroje. Jis yra dažniausiai termituose naudojamas oksidatorius, nes yra nebrangus ir lengvai pagaminamas.
 Fe2O3 – Raudonas geležies (III) oksidas, dažniausiai randamas rūdyse, taip pat gali būti naudojamas termituose. Termitinė reakcija su juo žymiai energingesnė.
 Kiti oksidai (Mn, Cr) kartais irgi naudojami, tačiau tik labai specifiniams tikslams.

Visuose termituose aktyvusis metalas yra aliuminis.

Iš esmės, vietoj aliuminio galėtų būti naudojami ir kiti metalai, tačiau tai yra daroma retai, nes aliuminis šiai reakcijai geriausiai tinka:
 Tai, ko gero, pigiausias aktyvus metalas.
 Aliuminio paviršiuje susidaro apsauginė oksido plėvelė, todėl juo naudotis yra saugiau negu kitais aktyviais metalais.
 Aliuminio lydymosi ir virimo temperatūros puikiai tinka termitinei reakcijai. Sąlyginai žema lydymosi temperatūra (660ºC) reiškia, kad metalą galima lengvai išlydyti, reakcija gali prasidėti skystoje fazėje (skystas aliuminis tarp kietų oksido dalelių) ir todėl, vykti gana greitai. Tuo pačiu, jo aukšta virimo temperatūra (2519ºC) leidžia reakcijai pasiekti labai aukštą temperatūrą, kai pora procesų apriboja maksimalią temperatūrą iki virimo taško (pvz.: garavimo sukelti kuro ir šilumos nuostoliai). Tokia aukšta virimo temperatūra yra įprasta tarp pereinamųjų metalų (pvz.: geležis verda ties 2887ºC, varis ties 2582ºC), tačiau nebūdinga aktyviesiems metalams (magnis verda ties 1090ºC, o natris – ties 883ºC).

Reagentai yra stabilūs kambario temperatūroje, o įkaitinti iki uždegimo temperatūros jie dega ypač intensyviai ir išskiria daug šilumos (egzoterminė reakcija). Dėl aukštos temperatūros (virš +2500ºC su geležies (III) oksidu), produktai būna skysti – tačiau realiai pasiekiama temperatūra priklauso nuo to, kaip greita šiluma išsisklaido aplinkoje. Termitas turi savo deguonies atsargų, tad jo degimui nereikia papildomo deguonies šaltinio. Taigi, termitas negęsta ir gali būti uždegtas bet kokiomis sąlygomis, kai yra įkaitintas iki uždegimo temperatūros. Jis dega net drėgnas ir neužgęsta nuo vandens. Maži vandens kiekiai užverda ir išgaruoja nepasiekę reakcijos židinio. Jei termitas uždegamas po vandeniu, išlydyta geležis išskiria deguonį iš vandens ir susidaro vandenilio dujos. Šios dujos, savo ruožtu, gali sudegti vos patekusios į orą.

Uždegimas 
Įprastinei termito reakcijai sužadinti reikia labai aukštos temperatūros. Nei juodojo parako, nei nitroceliuliozės ar kitų įprastų padegamųjų mišinių degimo temperatūros nepakanka termitui padegti. Net iki raudonumo įkaitintas termitas neužsidega. Reakcija prasideda jam įkaitus iki baltumo.
Termitą įmanoma padegti dujų degiklio liepsna, tačiau šis pavojingas būdas nenaudojamas dėl saugumo. Degiklio liepsna gali iškart įkaitinti didelį kiekį termito mišinio, ir šis vietoj to, kad lėtai degtų, pasiekęs užsidegimo temperatūrą gali sprogti.

Termitų dagčiais dažniausiai naudojamos magnio juostelės. Magnis dega apytiksliai toje temperatūroje, kurioje reaguoja termitas, t. y., maždaug 2200 ºC. Tačiau šis metodas yra gana nepatikimas, nes magnį sunku uždegti, o vėjuotomis ar drėgnomis salygomis magnio juostelė gali užgesti. Be to, magnis neturi nuosavo deguonies šaltinio, tad gali užgesti degdamas deguonies stygiaus sąlygomis. Problema yra tai, jog magnis yra puikus šilumos laidininkas – kaitinant vieną juosteles galą šiluma perduodama link kito galo, dėl ko gali įvykti pirmalaikis užsidegimas. Nepaisant šių trūkumų, termito padegimas magniu išlieka populiarus tarp mėgėjų.

Alternatyva padegimui magniu yra reakcija tarp kalio permanganato ir glicerolio (glicerino). Sumaišius abi medžiagas prasideda savaiminė reakcija, kurios metu temperatūra lėtai kyla, kol pasirodo liepsna. Glicerino oksidacijos metu išsiskiria pakankamai šilumos termitinei reakcijai prasidėti. Šis būdas irgi turi trūkumų – laiko tarpas nuo reagentų sumaišymo iki termito užsidegimo gali labai svyruoti dėl aplinkos temperatūros ir dalelių dydžio.

Kitas, ir kone paprasčiausias, būdas yra bengališka ugnelė. Ji degdama pasiekia reikalingą temperatūrą, o degimo fronto slinkimo greitis užtikrina pakankamą laiko tarpą iki momento, kai liepsna pasiekia termitą.

Stechiometrinis gerai susmulkinto Fe(III) oksido ir aliuminio mišinys gali būti uždegtas paprastais degtukais: vieno degtuko galvutę dalinai įkišti į mišinį ir padegti jį kitu, laikant jį replėmis ar žnyplėmis ir mūvint karščiui atspariomis pirštinėmis siekiant išvengti nudegimų.

Saugumas 
Termitas yra potencialiai pavojingas, nes jam užsidegus jo jau beveik neįmanoma užgesinti ir temperatūra būna labai aukšta. Turi būti imtasi atitinkamų priemonių prieš naudojant termitą. Draudžiama naudoti šalia degių ar lengvai užsiliepsnojančių medžiagų. Maži reakcijos metu išsiskyrusios išsilydžiusios geležies upeliukai gali nubėgti didelius atstumus ir pradeginti metalinius konteinerius, padegti jų turinį ir t. t.

Degūs metalai, kurių virimo temperatūra santykinai žema (pvz., cinkas, kurio virimo temperatūra lygi 907 ºC ir maždaug 1370 ºC žemesnė negu termito degimo temperatūra), turi būti laikomi toliau nuo termito, kadangi perkaitinti jie gali staiga užvirti ir išgaruoti į orą, kur reaguodami su deguonimis užsidegs.

Termitas turi būti atsargiai naudojamas suvirinant vamzdžius ar kitokias talpyklas, nes šiluminis uždarytų dujų plėtimasis gali sukelti slėgį, susprogdinsiantį tą talpyklą. Termito uždegimas turi būti tiek uždelstas, kad liktų pakankamai laiko pasitraukti į saugų atstumą. Kaip ir bet kuris pirotechninis mišinys, termitas turi būti saugomas nuo liepsnos šaltinių.
Atsakingai naudojamas tinkamai pasiruošusio asmens termitas yra sąlyginai saugus.

Termitinės reakcijos gali savaime prasidėti pramonėje, kur naudojami abrazyvinio šlifavimo ir pjaustymo įrenginiai kartu su juodaisiais metalais. Tokioje aplinkoje naudojant aliuminį gali susidaryti labai smulkus lengvai užsiliepsnojantis mišinys.

Termitą sumaišyti su vandeniu gali būti daug pavojingiau negu atrodo iš pirmo žvilgsnio, nes tai gali sukelti freatomagmatinį skilimą, o tuomet – sprogimą.

Karinis panaudojimas

Termito granatos 
Termito granatos yra naudojamos kaip padegamieji įtaisai, kai reikia sunaikinti savo ar iš priešo užgrobtą ginkluotę, kuriai kyla neišvengiamas pavojus patekti į priešo rankas.

Standartinis termitas kaip padegamasis mišinys yra retai naudojamas vienas, nes jis sunkiai uždegamas, turi mažą veikimo spindulį ir dega beveik be liepsnos.
Termito mišinį papildžius priemaišomis, gerinančiomis jo padegamąsias savybes, gaunamas termatas.

Kare termitas dažnai buvo naudojamas visiškai išvesti iš rikiuotės artilerijos pabūklus nenaudojant sprogstamųjų užtaisų ir dirbant su pakankamai dideliu kiekiu plieno. Antrasis reindžerių batalionas naudojo termito granatas prieš vokiečių artileriją per sąjungininkų išsilaipinimą Normandijoje. Tam yra keli būdai. Termito granatą galima įmesti į pabūklo uoksą ir jį uždaryti, taip jį užvirinant- tokiu atveju ginklo nebeįmanoma užtaisyti. Kitas būdas yra įmesti termito granatą pro pabūklo žiotis taip jį užkemšant- tuomet iš jo labai pavojinga šaudyti. Taip pat buvo sugadinami horizontalaus taikymo ir pakėlimo mechanizmai, padarant taikymąsi neįmanomu.

Termito bombos 

Antrojo pasaulinio karo metais termitines padegamąsias bombas naudojo abi pusės. Tokios padegamosios bombos paprastai būdavo kasetinės, kur kiekviena bombelė užtaisyta termitu ir padegama magnio degikliu.
Termitinėmis bombomis, sukėlusiomis gaisrus, buvo sudeginti ištisi miestai. Ypač nukentėdavo mediniais pastatais apstatyti miestai.

Kasetines termitines bombas dažniausiai naudodavo naktiniuose antskrydžiuose. Naktį sunku būdavo naudoti bombų taikiklius, tad naudodavo kasetines bombas, kuriomis patogu bombarduoti tiksliai nenusitaikius.

Civilinis panaudojimas 

Termitinės reakcijos turi daug panaudojimo sričių. Anksčiau termitą naudojo storų plieno konstrukcijų (garvežių ašių rėmų) remontui vietoje, kai remontas gali būti atliktas be dalių išmontavimo. Taip pat greitam plieno (traukinių bėgių) pjovimui ar virinimui, nereikalaujančiam sunkios ir didelės įrangos.

Metalų rūdoms išvalyti naudojamos termitinės reakcijos vadinamos termitiniu procesu. Toks gryno urano gavimas buvo sukurtas kaip Manheteno projekto dalis Ames laboratorijoje vadovaujant Frankui Spedingui. Kartais jis vadinamas Ames procesu.

Termitas su geležies (III) oksidu maksimaliai efektyvus, kai į jo sudėtį įeina 25,3 % aliuminio ir 74,7 % geležies oksido. Šis mišinys parduodamas prekiniu vardu Thermit kaip medžiaga virinimui.) Pilna reakcija:

 Fe2O3(k) + 2Al(k) → Al2O3(s) + 2Fe(s); ΔH = -851,5 kJ/mol

Efektyviausias termitas su geležies (II, III) oksidu turi 23,7 % aliuminio ir 76,3 % geležies oksido. Pilna reakcija:

 3Fe3O4(k) + 8Al(k) → 4Al2O3(s) + 9Fe(s); ΔH = -3347,6 kJ/mol

Reakcija su Fe3O4 išskiria žymiai didesnį kiekį energijos vienam moliui termito, nei reakcija naudojant Fe2O3, kuri išskiria daugiau energijos vienam gramui termito.

Istorija 
Termitą išrado (1893 m.) ir užpatentavo (1895 m.) vokiečių chemikas dr. Hansas Goldšmidtas. Todėl kartais termitinė reakcija vadinama „Goldšmidto reakcija“ arba „Goldšmidto procesu“. Goldšmidtas buvo susidomėjęs ypač grynų metalų gavimu lydant be anglies, tačiau greitai pastebėjo termito vertę virinant. Pirmą kartą komerciškai termitas buvo panaudotas tramvajaus bėgių suvirinimui Esene, Vokietijoje (1899). „Degussa“ korporacija, į kurios sudėtį įėjo ir Goldšmidto firma, ir šiandien tebėra viena didžiausių virinimui skirto termito gamintojų.

Padegamieji ginklai
Medžiagos