鋁熱反應(yīng)以鋁粉和金屬氧化物反應(yīng)獲得金屬單質(zhì)的反應(yīng)，反應(yīng)劇烈放熱。當(dāng)溫度超過1250℃時(shí)，鋁粉激烈氧化，燃燒而放出大量熱。這種放熱反應(yīng)的溫度可達(dá)3000℃以上。鋁熱反應(yīng)非常迅速，作用時(shí)間短。加入硅鐵粉時(shí)，可使作用緩和，利于延長(zhǎng)作用的時(shí)間。為用于澆注溫度1000~1100℃左右的銅合金鑄件，可再加少量強(qiáng)氧化劑，如硝酸鈉、硝酸鉀等；還可加入鎂作為點(diǎn)火劑，使其在較低溫度起化學(xué)反應(yīng)。

自蔓延

1895年，德國(guó)Goldschmidt發(fā)現(xiàn)了鋁熱反應(yīng)的自蔓延特征。鋁熱反應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用是始于熱劑焊焊接鋼軌。這就是我國(guó)現(xiàn)正在使用的德國(guó)施密特公司的鋁熱焊產(chǎn)品的始創(chuàng)者。自20世紀(jì)60年代末，自蔓延高溫合成(SHS)在原蘇聯(lián)形成個(gè)新學(xué)科以來(lái)，在各國(guó)已進(jìn)行了大量研究并取得了很大發(fā)展

自蔓延高溫合成技術(shù)是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanoy和Borovinskaya在研究火箭固體推進(jìn)劑燃燒問題時(shí)，實(shí)驗(yàn)過渡族金屬和硼碳、氮等的反應(yīng)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)并提出來(lái)的，也被稱作燃燒合成（CS）。其特點(diǎn)是利用外部提供必要的能量誘發(fā)放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（點(diǎn)燃），形成化學(xué)反應(yīng)前沿（燃燒波），此后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，表現(xiàn)為燃燒波蔓延至整個(gè)反應(yīng)體系，最后合成所需要材料（粉體或者固結(jié)體）。SHS已經(jīng)形成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。本章中對(duì)鋁熱反應(yīng)的最新研究成果進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹SHS最突出的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，過程時(shí)間短；合成物污染少、純度高；最大限度地利用材料的人工合成中的化學(xué)能節(jié)約能源；能集材料合成和燒結(jié)等多種工藝于一體。

從SHS被發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)80年代初，只有前蘇聯(lián)在不對(duì)外公布的狀態(tài)下進(jìn)行研究。前蘇聯(lián)科學(xué)院對(duì)SHS技術(shù)研究極為重視，專門從其科學(xué)院物理化學(xué)研究所分離出一個(gè)單位來(lái)研究，這就是后來(lái)知名的結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)研究所。該研究所對(duì)SHS進(jìn)行了全方位的研究，取得了奠基性的成果。進(jìn)入90年代，盡管俄羅斯國(guó)家總體科研環(huán)境欠佳，但是他們?cè)赟HS領(lǐng)域研究的總體水平仍然居于世界前列。

前蘇聯(lián)對(duì)SHS理論的建立和SHS技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展做了大量的工作。在理論上，他們建立并發(fā)展SHS燃燒理論，又將其和材料科學(xué)結(jié)合起來(lái)，提出了結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)理論，建立起SHS過程中的燃燒過程和材料結(jié)構(gòu)形成間的關(guān)系；在應(yīng)用方面，他們發(fā)展了一系列無(wú)機(jī)材料粉末合成與成型、致密化技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。

80年代以后，SHS傳播到美國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)家，開始在世界范圍內(nèi)的發(fā)展。美國(guó)科學(xué)家在SHS基礎(chǔ)研究方面的成果最為扎實(shí)，研究力量也最為強(qiáng)大。他們發(fā)展了新的燃燒模型和有機(jī)物的燃燒合成及非常規(guī)SHS技術(shù)。

原理

鋁熱反應(yīng)的原理，是鋁單質(zhì)在高溫的條件下進(jìn)行的一種氧化還原反應(yīng)，體現(xiàn)出了鋁的強(qiáng)還原性。由于氧化鋁的生成焓（-1645kJ/mol）極低，故反應(yīng)會(huì)放出巨大的熱，甚至可以使生成的金屬以熔融態(tài)出現(xiàn)。另一方面，反應(yīng)放出大量熱使鋁熔化，反應(yīng)在液相中進(jìn)行使反應(yīng)速率極快，短時(shí)間放出極大量的熱。鋁熱反應(yīng)的劇烈程度，由金屬離子氧化性所決定。據(jù)估計(jì)，500克鋁熱劑（成分是氧化鐵和鋁）會(huì)在30秒內(nèi)燃燒殆盡。

表達(dá)式：2yAl 3MxOy→yAl?O? 3xM(M為金屬元素)

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)化學(xué)方程式:

氧化鐵：2Al Fe2O3→2Fe Al?O?

四氧化三鐵：8Al 3Fe3O4→9Fe 4Al?O?

二氧化錳：4Al 3MnO2→3Mn 2Al?O?

五氧化二釩：10Al 3V2O5→6V 5Al?O?

氧化鉻：2Al Cr2O3→2Cr Al?O?

(鋁熱反應(yīng)配平技巧：取反應(yīng)物和生成物中氧化物中兩邊氧的最小公倍數(shù)，即可快速配平，如鋁熱法中，可取Fe?O?和Al?O?中氧的最小公倍數(shù)12，則Fe?O?前應(yīng)為3，Al?O?前應(yīng)為4，底下便可得到Al為8，F(xiàn)e為9）

鋁熱反應(yīng)

鋁熱化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)氧化還原的反應(yīng)，利用還原金屬（鋁）和金屬氧化物（氧化鐵）鐵合金和鐵釘屑等按比例配成的鋁熱焊劑，放在特制的坩堝中，用高溫火柴點(diǎn)燃，立即引起強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中鐵（Fe）被還原出來(lái)，由于鐵比重大沉于坩堝底部，鋁氧化成氧化鋁（Al2O3）熔渣較輕浮于上部，同時(shí)產(chǎn)生巨大的熱量，高溫的鋁熱鋼水隨即澆入扣在軌縫上的砂型中，將兩軌端熔化，澆注金屬本身又作為填充金屬，將鋼軌焊接起來(lái)各種金屬對(duì)氧的化學(xué)親和力大小各不相同，與氧親和力較大的金屬能夠把與氧親和力較小的金屬?gòu)乃难趸镏羞€原出來(lái)。鋁在足夠高的溫度下，與氧有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，它可以從很多重金屬的氧化物中奪取氧，而把重金屬還原出來(lái)，例如能把鐵、鈦、硅、錳、鉻、釩、鎢等還原出來(lái)，同時(shí)放出一定量的熱量。為了獲得優(yōu)質(zhì)的鋁熱鋼，根據(jù)不同要求在鋁熱焊劑中可以加入石墨粉調(diào)整碳合量，加入一些合金元素，例如錳硅以及鈦、鉬等。

鋁熱爆劑的反應(yīng)過程和主要產(chǎn)物

在坩堝中的鋁熱焊劑經(jīng)點(diǎn)燃立即進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成定量的鐵，經(jīng)加入合金元素，調(diào)整化學(xué)成分形成鋁熱鋼，同時(shí)生成Al2O3熔渣和其他成分的組成物如MnO、FeO等進(jìn)入熔渣中，反應(yīng)在若干秒內(nèi)完成，但反應(yīng)完成后必須有定時(shí)間的停留（鎮(zhèn)靜時(shí)間），也就是在反應(yīng)平靜后適當(dāng)時(shí)間才可打釘澆注，以保證反應(yīng)完全和保證鋁熱鋼中含有一定量的鋁。鋁熱焊的主要反應(yīng)產(chǎn)物為液態(tài)的鋁熱鋼和熔渣。根據(jù)鋁熱焊主要化學(xué)反應(yīng)式，從理論上計(jì)算純鐵和熔渣的產(chǎn)量，由于反應(yīng)不能進(jìn)行完全，而且在熔渣中也夾雜著鐵，所以實(shí)際上，鐵的生成量低于計(jì)算值熔渣的主要成分為Al2O3，合有少量的氧化鐵、氧化錳以及硅酸物。氧化鐵可以使熔渣呈黑色，氧化錳使熔渣呈褐色，正常的鋁熱鋼的熔渣是棕褐色。

鋁熱反應(yīng)溫度

某金屬與氧的親和力大，這就是說(shuō)該金屬在燃燒時(shí)的生成熱較大，例如鋁與氧的親和力較鐵與氧的親和力要大，這是因?yàn)槿紵蔁彷^大，因此氧原子由結(jié)合中放出鐵而讓位給鋁鋁熱化學(xué)反應(yīng)由于放出大量的熱，因此使熔渣和鋼液的溫度提高到很高的溫度，根據(jù)文獻(xiàn)記載，這一溫度可達(dá)2500℃~3500℃。焊接實(shí)際需要出發(fā)，可以加入適量的添加劑，一方面使鋼液溫度降至2000℃~2100℃左右，同時(shí)也使鋼的生成率增加。

操作流程

1.將氧化鐵和鋁粉按照體積比3:2混合均勻制成鋁熱劑，裝入容器內(nèi)

2.取少量氯酸鉀充分研碎，撒到鋁熱劑頂部

3.取一根10cm左右的鎂條，用砂紙打磨干凈，插入鋁熱劑頂部

4.引燃鎂條，戴好墨鏡，以防閃光傷眼。

5.在鋁熱劑下放一些廢鐵，可以被鋁熱劑燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的熱量熔化，變成炙熱、亮黃色的鐵水，非常壯觀。注意安全。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鎂條劇烈燃燒，放出大量熱能，使氧化鐵粉末和鋁粉在高溫下發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)。最終生成液態(tài)的鐵和氧化鋁。

注意事項(xiàng)

鋁熱反應(yīng)有一定的危險(xiǎn)性，不允許在家里或房間里做該實(shí)驗(yàn)，否則容易造成高度化學(xué)燙傷及嚴(yán)重化學(xué)爆炸等事故。如果對(duì)鋁熱感興趣，可以選擇室外或者安全的有防火措施的房間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并建議用四氧化三鐵作為金屬氧化物，并嚴(yán)格控制反應(yīng)物量的大小，建議鋁粉可稍微過量，以使金屬氧化物完全反應(yīng)。在使用鎂條時(shí)請(qǐng)注意，鎂條必須打磨光亮或酸洗以除掉氧化膜，并且要10厘米左右，太短熱量不夠，太長(zhǎng)燃燒時(shí)間太長(zhǎng)，并造成浪費(fèi)。不能在承接容器中加水，否則金屬會(huì)與水反應(yīng)生成氫氣發(fā)生爆炸或者使水迅速沸騰導(dǎo)致液態(tài)金屬飛濺。切忌在反應(yīng)物附近放可燃物，易燃物或玻璃等易爆物品。當(dāng)用氯酸鉀作氧化劑時(shí)，切不可加大劑量，否則會(huì)引起氣體劇烈膨脹引起物理爆炸以及鋁粉與氯酸鉀劇烈反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)爆炸，在點(diǎn)燃反應(yīng)物之前，先撤離周圍人員，并保持一段距離（十五米以上）。

在點(diǎn)燃鎂帶時(shí)，可使用防風(fēng)打火機(jī)，噴火槍或酒精燈。發(fā)現(xiàn)鎂條逐漸變黑和閃火星時(shí)，說(shuō)明鎂條已經(jīng)吸收了夠多的熱量，馬上要燃燒了，這時(shí)要繼續(xù)加熱，并準(zhǔn)備撤離。點(diǎn)燃鎂帶后，要趕快離至適合的距離，實(shí)驗(yàn)者必須戴墨鏡或防強(qiáng)光的設(shè)備觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以防止被鋁熱反應(yīng)的強(qiáng)光灼傷眼睛。絕對(duì)不允許在反應(yīng)物旁觀察反應(yīng)現(xiàn)象。反應(yīng)時(shí)，會(huì)有900～1500℃的高溫的金屬熔融物噴出，這時(shí)要隔離周圍人員，不得靠近。反應(yīng)結(jié)束后，切不可用水澆滅，要等其自然冷卻。

進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，容易生成劇烈反應(yīng)的金屬氧化物，如二氧化錳等，建議不要用相機(jī)進(jìn)行拍攝，如需拍攝分析，最好用耐強(qiáng)光的鏡頭，或在鏡頭上裝上黑色膠片等。

安全提示

1.在冰塊上進(jìn)行鋁熱反應(yīng)會(huì)發(fā)生爆炸

不可用水作為介質(zhì)承接，應(yīng)鋪沙子。

原因:鋁熱反應(yīng)的高溫熔融物會(huì)與水反應(yīng)生成氫氣，同時(shí)氫氣會(huì)被熔融物點(diǎn)燃發(fā)生爆炸。(熔融物會(huì)被炸得亂飛，十分危險(xiǎn)。)

2.鋁熱反應(yīng)時(shí)有時(shí)生成的液態(tài)金屬會(huì)噴濺而出，這主要是因?yàn)榉磻?yīng)物粉末間有空隙，其中的空氣在反應(yīng)中2000多度的高溫下劇烈膨脹，吹出反應(yīng)中生成的液態(tài)金屬。又因?yàn)榧勇人徕浐舐人徕浄纸猱a(chǎn)生大量氧氣氧化鎂條，這些氧氣在膨脹的同時(shí)又提高了反應(yīng)中生成的液態(tài)金屬的溫度，非常危險(xiǎn)。所以嚴(yán)禁在鋁熱中混合大量氧化劑，也請(qǐng)勿加入會(huì)分解產(chǎn)生大量氣體的藥品。

3.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，鋁熱劑如果成分按比例正確混合均勻(可根據(jù)方程式計(jì)算:Al:Fe?O?=1:3(質(zhì)量比)，體積比約為Al:Fe?O?=2:1，依照體積配比需要注意鋁粉與氧化鐵粉的蓬松程度，建議依照質(zhì)量來(lái)配比,以保證比例的準(zhǔn)確性。)，不需加氯酸鉀氧化也可觸發(fā)此反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)相當(dāng)溫和，甚至不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)光(鎂與氯酸鉀反應(yīng)所致)，大大提高反應(yīng)安全性。

4.配置好的鋁熱劑在儲(chǔ)存時(shí)，不應(yīng)壓實(shí)。由于壓實(shí)后，即便是室溫，鋁熱劑也會(huì)自發(fā)反應(yīng)(發(fā)熱)，可能導(dǎo)致自我點(diǎn)燃，造成事故，故不應(yīng)壓實(shí)。

提醒

鋁熱反應(yīng)危險(xiǎn)性極大，由于氧化鋁的生成焓低，必然造成大量高溫熔融物噴濺，造成燒傷等嚴(yán)重后果。而且由于噴濺，有使其他人受傷的可能。

特別注意，不得使用氧化銅配置鋁熱劑，氧化銅與鋁粉反應(yīng)時(shí)的溫度可以使銅變?yōu)闅鈶B(tài)，這是極其危險(xiǎn)的。鋁熱劑如果用鐵氧化物時(shí)，建議使用四氧化三鐵，而不是氧化鐵。氧化鐵高溫分解為四氧化三鐵和氧氣。游離氧同樣十分危險(xiǎn)由于以上種種危險(xiǎn)性，建議一般人不要做此實(shí)驗(yàn)。

用途

鋁熱反應(yīng)十分激烈，所以點(diǎn)燃后難以熄滅。若在鋼等其他金屬物上點(diǎn)燃，還會(huì)熔穿金屬物，加劇反應(yīng)。故常被用于制作穿甲彈可以熔穿裝甲。

鋁熱反應(yīng)過程中放出的熱可以使高熔點(diǎn)金屬熔化并流出，故鋁熱法廣泛運(yùn)用于焊接搶險(xiǎn)工程之中。另外，鋁熱法也是冶煉釩、鉻、錳等高熔點(diǎn)金屬的重要手段。

除此之外，其他的金屬單質(zhì)與金屬氧化物混合之后點(diǎn)燃，也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，效果類似于鋁熱反應(yīng)。其中的金屬單質(zhì)可以是鋁、鎂、鈣、鈦，或者是非金屬硼、硅，而金屬氧化物可以是三氧化二鉻、二氧化錳、氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅和四氧化三鉛或者是非金屬氧化物二氧化硅、三氧化二硼等。有時(shí)這些反應(yīng)也根據(jù)反應(yīng)中的還原劑而被稱為“鎂熱法”“硅熱法”“鈣熱法”“碳熱法”等等。(注:鋁-氧化銅的混合物點(diǎn)燃后會(huì)發(fā)生劇烈爆炸！)

鋁熱反應(yīng)原理可以應(yīng)用在生產(chǎn)上，例如焊接鋼軌、冶煉難熔金屬、制作傳統(tǒng)的煙火劑等。用某些金屬氧化物（如V2O5、Cr2O3、MnO2等）代替氧化鐵，也可以做鋁熱劑。當(dāng)鋁粉跟這些金屬氧化物反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高溫度下呈熔融狀態(tài)，跟形成的熔渣分離開來(lái)，從而獲得較純的金屬。在工業(yè)上常用這種方法冶煉難熔的金屬，如釩、鉻、錳等。