Thermitverfahren
Bist du neugierig auf das Thermitverfahren? Es handelt sich um eine spannende chemische Reaktion, die von Hans Goldschmidt erfunden wurde und beim Schweißen von Schienen zum Einsatz kommt. Erfahre, wie Aluminium Eisenoxid zu purem Eisen reduziert und entdecke die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten dieses Verfahrens. Lust auf mehr? Dann tauche ein in die faszinierende Welt der Chemie!
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Grundlagen zum Thema Thermitverfahren
Thermitverfahren – Chemie
Sicher bist du schon einmal mit dem Zug gefahren. Ein Zug fährt über Schienen. Die Schienen werden mithilfe eines ganz bestimmten Verfahrens zusammengefügt: des Thermitverfahrens. Aber was ist das Thermitverfahren eigentlich?
Das Thermitverfahren geht zurück auf Hans Goldschmidt – einen deutschen Chemiker und Unternehmer. Das Thermitverfahren, das man daher auch Goldschmidt-Verfahren nennt, wurde von Goldschmidt im Jahr 1890 entdeckt und im Jahr 1895 zum Patent angemeldet. Beim Thermitverfahren reagiert Aluminium $(\ce{Al})$ mit Eisenoxid $(\ce{Fe2O3})$ zu reinem Eisen $(\ce{Fe})$ und Aluminiumoxid $(\ce{Al2O3})$.
Was das Thermitverfahren genau ist und wie die Reaktionsgleichung dazu lautet, erfährst du im folgenden Text.
Was ist das Thermitverfahren? – Definition
Einfach erklärt ist das Thermitverfahren eine stark exotherme Redoxreaktion, bei der Aluminium $(\ce{Al})$ als Reduktionsmittel Eisenoxid $(\ce{Fe2O3})$ zu Eisen $(\ce{Fe})$ reduziert. Es entsteht dabei also reines elementares Eisen.
Chemische Reaktion Thermitverfahren – Beispiel
Was passiert eigentlich beim Thermitverfahren? Das Eisenoxid $(\ce{Fe2O3})$ liegt im Thermitgemisch zusammen mit Aluminium $(\ce{Al})$ vor. Die Reaktion geschieht dann allerdings nicht spontan, sondern man benötigt eine gewisse Aktivierungsenergie, um diese auszulösen. Dazu braucht es eine sogenannte Zündkirsche (oder eine Wunderkerze). Diese besteht aus einem Gemisch aus Bariumperoxid $(\ce{BaO2})$ und Magnesium $(\ce{Mg})$. Ein Magnesiumband entzündet das Gemisch, das kurzzeitig eine sehr hohe Temperatur erzeugt. Dies führt dann zum Aktivieren der eigentlichen Thermitreaktion:
Aluminium $(\ce{Al})$ wird oxidiert und entzieht dem Eisen $(\ce{Fe})$ den Sauerstoff $(\ce{O2})$. Dabei reagiert es zu Aluminiumoxid $(\ce{Al2O3})$. Das Eisenoxid $(\ce{Fe2O3})$ hingegen wird zu Eisen $(\ce{Fe})$ reduziert. Wir können also festhalten: Dem Eisenoxid wird der Sauerstoff entzogen, während das Aluminium diesen aufnimmt – die Reaktion besteht also aus einer Oxidation und einer Reduktion. Dieser Reaktionstyp wird auch als Redoxreaktion bezeichnet.
Die Reaktionsgleichung des Thermitverfahrens kannst du hier sehen, aber Vorsicht, die Teilreaktionen finden so nicht statt, sie sind nur der Übersichtlichkeit halber einzeln formuliert:
$\text{Oxidation:} \overbrace{\text{2 Al}}^{\text{Reduktionsmittel}} + \quad \text{O}_3 \quad \rightarrow \ce{Al2O3}$
$\text{Reduktion:} \overbrace{\text{Fe}_2\text{O}_3}^{\text{Oxidationsmittel}} \rightarrow \ce{2Fe} \quad + \quad \text{O}_3 \quad $
$\Rightarrow \text{Redoxreaktion}: \ce{2 Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2 Fe}$
Diese Redoxreaktion mit Aluminium kann ebenfalls verwendet werden, um andere Metalloxide oder -erze, wie zum Beispiel Uranerz, Chromoxid, Siliziumdioxid oder Manganoxid, zu den jeweiligen Metallen zu reduzieren.
Wo wird das Thermitverfahren verwendet?
Praktisch kann man das Thermitverfahren beim Schweißen von Schienen, als Brandbomben oder zur Eisenherstellung nutzen. Die Eisenherstellung über das Thermitverfahren ist jedoch sehr energieaufwendig und es ist wirtschaftlich nicht sinnvoll, Eisen aus Eisenerz mithilfe des Thermitverfahrens zu gewinnen.
Schweißen von Schienen
Das Thermitverfahren wird etwa seit dem Jahr 1920 angewandt, um im Gleisbau Schienen zusammenzuschweißen. Dabei werden zunächst zwei Schienenstücke eng hintereinandergelegt und der Zwischenraum mit einem festen Gespann bestehend aus einer Feuerfestpfanne, in der sich das Thermitgemisch befindet, umgeben. Dann wird das Goldschmidt-Verfahren angewandt. Nach der Wärmeaktivierung der Thermitmischung passiert Folgendes: Das sich bildende flüssige Eisen fließt in die Lücke zwischen den beiden Schienen. Es entstehen dabei Temperaturen von bis zu $\pu{2 500 °C}$. Nach dem Abkühlen wird die Feuerfestvorrichtung entfernt und die Schienen sind fest miteinander verklebt.
Das Thermitschweißen wird heute jedoch oft durch das effektivere Abbrennstumpfschweißverfahren ersetzt, das jedoch einen höheren Geräteaufwand erfordert.
Brandbomben und Brandsätze
Im Zweiten Weltkrieg wurde das Thermitverfahren für die Herstellung von Brandbomben missbraucht. Diese wurden mit einem Zünder versehen und vor allem über dicht besiedelten Gebieten abgeworfen. Nach einer gewissen Verzögerung wurde das Thermitgemisch automatisch gezündet und führte zu einer extremen Hitzeentwicklung in der näheren Umgebung. Da in Kontakt mit Wasser bei diesen Temperaturen explosiver Wasserstoff $(\ce{H2})$ entsteht, ist ein normales Löschen nicht möglich. Man kann nur den umgebenden Raum kühlen bzw. abwarten, bis das Thermitreaktionsgemisch verbraucht ist.
Dieses Video
In diesem Video lernst du das Thermitverfahren kennen. Es handelt sich dabei um eine Reduktion von Eisenoxid mit Aluminium unter Bildung von flüssigem Eisen. Du erfährst die Formel der Reaktionsgleichung zum Thermitverfahren und du lernst, dass man mit dem Thermitverfahren Schienen zusammenschweißen kann. Im Video wird dir auch ein Versuch zum Thermitverfahren gezeigt.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zum Thermitverfahren, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Transkript 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.
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muss die Platte nicht bei hohen Temperaturen schmelzen??
Völlig richtig und aufmerksam gelesen.
Alles Gute
Danke. Ich muss eine Arbeit darüber schreiben es hat mir geholfen. Allerdings glaube ich das über dem heißen Metall noch Schlakcke "Schwimmt". Steht zumindest in unseren kleinen Text. Abr Danke nochmal
Reaktion mit Essig zeigt nur spürbar Mg. Wenn nicht, Metall in HCl auflösen. Mit gelbem Blutlaugensalz (Acetatpuffer) bildet Zn einen schmutzigweißen Niederschlag. Al nicht.
Über die Dichten, schön und gut. Und wie bestimme ich die Dichten von Pulvern nun praktisch? Über eine Analysenwaage verfüge ich nicht. Ich hab nur ne Waage mit einer Genauigkeit von +-100mg. Eine etwas genauere Beschreibung wäre nicht schlecht.
mfg