O smoku i termicie

Kilka dni temu świat obiegło wideo, na którym dron Sił Zbrojnych Ukrainy latał nad rosyjskimi pozycjami „ziejąc ogniem”.

https://x.com/technicznybdg/status/1834265408758522088

Nic dziwnego, że szybko został nazwany „Dracarys”. Fanom uniwersum „Gry o Tron” nie muszę nic tłumaczyć, ale z naszego portalu korzystają nie tylko oni, więc już wyjaśniam kontekst. Słowo to pochodzi z języka Valyrian, czyli jednej z nacji, która kiedyś zamieszkiwała świat wykreowany przez G. G. Martina, i oznacza „smoczy ogień”. Jest to również komenda, którą jedna z postaci nakazywała swoim smokom zaatakowanie wroga ogniem. W tym uniwersum smoczy ogień był jedną z najpotężniejszych broni, nic więc dziwnego, że wrogowie słyszący to słowo drżeli ze strachu.

Wojny i bitwy w naszym uniwersum są równie paskudne jak w tamtym, więc wspaniale by było, gdyby pozostały wyłącznie na kartach książek. Jednakże gdy wróg atakuje, każdy ma prawo się bronić tym, czym dysponuje i co pozwoli mu skutecznie atak odeprzeć. Nie dziwię się zatem, że żołnierze skorzystali z tego, co mieli pod ręką, i zrzucili na głowy napastników straszliwy ogień, choć właściwie nie można tu mówić o ogniu. Dron zrzuca substancję bardzo prostą w produkcji i niesamowicie skuteczną, a znaną od bez mała stu lat.

Mowa tu o wynalazku Hansa Wilhelma Goldschmidta, znanym powszechnie jako termit. Sam Hans nie miał absolutnie żadnych agresywnych skłonności; był chemikiem i studentem Roberta Bunsena (którego możecie kojarzyć jako wynalazcę palnika Bunsena). Po studiach przejął należącą do jego ojca firmę Chemische Fabrik Th. Goldschmidt. Jednym z produktów, które wspomniana firma wypuściła na rynek, jest ten niepozorny proszek:

fot. CC BY-SA 2.5

Proch czarny to z pewnością nie jest, o czym świadczy głównie to, że kolor przywodzi na myśl powierzchnię Marsa, której barwa wynika z obecności tlenków żelaza w tamtejszej glebie. Czy zatem jest to proch z dodatkiem tlenku żelaza (III), będącego jednym ze składników rdzy, znienawidzonej przez posiadaczy niektórych marek aut?

Nie, to coś o wiele prostszego. Jak najbardziej jest tam obecny wspomniany tlenek; dodatkowo termit zawiera w swoim składzie sproszkowany glin i nic więcej. Prawda, że proste? Dwa składniki. Co jednak powoduje, że ten niepozorny proszek staje się tak groźną bronią? Skoro to tylko dwa składniki, to zapis równania jest dość prosty.

Zapis tej reakcji jest uproszczony, bo pomija jeszcze jedną rzecz będącą jej produktem: energię. Reakcje, w których redukujemy tlenki metali za pomocą sproszkowanego glinu, są egzotermiczne, czyli wydzielają do otoczenia energię w postaci ciepła. Ile tego ciepła? Skoro powoduje ono deszcz płynnego żelaza spadający na głowy najeźdźców, to bez wątpienia wystarczająco dużo, aby podgrzać żelazo przynajmniej do temperatury topnienia, a nawet znacznie wyższej: ten rodzaj reakcji termitowej daje temperatury rzędu trzech tysięcy stopni Celsjusza!

Prawda, że banalne w swojej prostocie? Mamy substancję, którą wyprodukuje nawet ktoś nie mający pojęcia o chemii, bo wystarczy zachować odpowiednie proporcje wagowe pomiędzy składnikami termitu, a do tego wystarczy kuchenna waga. Substancja ta daje produkt będący roztopionym żelazem o temperaturze ponad trzech tysięcy stopni, który sam spada pod wpływem grawitacji na pozycje przeciwnika. Myślę, że nie trzeba wielkiej wyobraźni, aby wiedzieć, że w warunkach polowych zatrzymanie takiej reakcji jest niemożliwe – tak samo jak sensowna ochrona przed jej produktami. Owszem, istnieją sposoby, aby chronić się przed czymś tak rozpalonym. Przecież huty istnieją, a pracują tam ludzie, a nie roboty. Tylko kto na polu bitwy nosi z sobą płaszcze hutnicze, ewentualnie pokrywy ceramiczne? Sprzęt wojskowy również może być skutecznie unieszkodliwiany za pomocą termitu z dokładnie tych samych przyczyn. Pancerze są projektowane tak, aby chronić pojazd przed falą mechaniczną i odłamkami, ale nie przed stałym działaniem temperatury topiącej to, z czego pojazd został wykonany.

Czy termit ma jednak wyłącznie zastosowania militarne? Czy może być wykorzystywany tylko jako forma „napalmu” lub wypełniacza amunicji zapalającej? Nie, absolutnie nie. Pierwotnie reakcję termitową wykorzystywano do pozyskiwania czystego metalu z rud bez użycia węgla. Istotne jest to, że reakcja termitowa może zajść również wtedy, gdy zastąpimy tlenek żelaza (III) innymi tlenkami metali. Właśnie w ten sposób pozyskano uran niezbędny do produkcji bomby atomowej w projekcie „Manhattan”. Reakcją termitową można posłużyć się również, gdy chcemy połączyć trwale dwa elementy wykonane z danego metalu – bardzo łatwo można w ten sposób spawać szyny kolejowe i nie tylko.

Jak wspomniałem wyżej, termit może być sporządzony nie tylko przy użyciu tlenku żelaza, a ponieważ produktem tej reakcji jest zawsze metal w czystej postaci, to proces ten znalazł zastosowanie również w przemyśle. Jest on tam znany jako aluminotermia i służy do pozyskiwania np. wanadu, manganu czy chromu. Z punktu widzenia chemii jest to po prostu reakcja redukcji tlenku metalu za pomocą sproszkowanego glinu. Podobne właściwości posiada również magnez, który może zastąpić glin jako reduktor w tej reakcji. Oznacza to, że istnieją setki możliwych kombinacji mieszanin, w których może zajść reakcja termitowa. Tak więc, gdy mowa o termicie, najczęściej będzie to oznaczać substancję składającą się z 75% Fe₂O₃ + 25% Al, znaną powszechnie jako „termit Goldschmidta” lub po prostu termit. Gdy mowa jednak o „reakcji termitowej”, oznacza to każdą reakcję, w której następuje redukcja tlenku metalu za pomocą (najczęściej) glinu w postaci proszku lub pyłu i której produktem jest czysty metal oraz duże ilości ciepła.

Zwracam uwagę na jedną rzecz która być może trochę umyka – reakcja termitowa nie jest zwykłą reakcją spalania zależnego od dostępu do tlenu zawartego w powietrzu. Proces za pomocą którego uzyskujemy metale z rud wytapiające je węglem w hutach polega również na ich redukcji ale nie węglem a tlenkiem węgla powstałym wyniku jego spalania (ściśle półspalania). W przypadku reakcji termitowej nie ma konieczności spalania czegokolwiek – a jakie to ma znaczenie? Dość istotne, o czym w kolejny akapicie.

Sam, gdy byłem o wiele młodszy i zdawało mi się, że już wszystko wiem, postanowiłem przeprowadzić eksperyment z termitem w najpopularniejszej wersji. Podobny eksperyment możecie zobaczyć na poniższym filmie:

W moim przypadku było odrobinę inaczej, przygotowałem go o wiele za dużo, ale na szczęście starczyło mi rozsądku, by nie odpalać go w domu, tylko za miastem; dodatkowo na moją korzyść zadziałało to, że mieszankę umieściłem w glinianej doniczce, podobnej jak na nagraniu z tym że o grubszych ściankach, którą wkopałem w ziemię. Odpaliłem to z dość dużej odległości za pomocą lontu i wtedy zrozumiałem, jak bardzo byłem głupi. Taka reakcja przebiega naprawdę gwałtownie i niby jak ją zatrzymać, moi mili? Gaszenie tego wodą to pomysł najgłupszy z możliwych: przypominam, że reakcja termitowa to temperatura trzech tysięcy stopni Celsjusza. Woda w takich warunkach rozkłada się wybuchowo, co tylko spowoduje, że narazimy większy obszar na zniszczenia; użycie lodu jest równie głupim pomysłem. Taki termit musi się po prostu „wypalić”; nakrycie go czymś, aby odciąć dopływ tlenu, nie ma sensu z uwagi na zachodzącą tam reakcję – glin redukuje tlenek żelaza i staje się tlenkiem glinu. Wszystko co jest potrzebne aby zaszła reakcja termitowa jest zawarte w składzie termitu. Dlaczego o tym mówię? Aby was ostrzec, gdyż czytając i oglądając różne materiały do tego tekstu, zauważyłem właśnie tego rodzaju pomysły jak umieszczenie termitu na bloku lodu, dodawanie różnych składników mogących wpłynąć na przebieg reakcji i jej temperaturę etc. Składniki do produkcji różnych termitów można nabyć na popularnych portalach aukcyjnych w postaci gotowej do użycia w bardzo przystępnych cenach.

Stąd moja prośba: gdyby ktoś chciał zobaczyć na własne oczy, jak to działa to proszę – nie róbcie tego w domu, korzystajcie wyłącznie ze sprawdzonych receptur i nie przekraczajcie ilości mieszczących się na łyżeczce do herbaty. Możecie też spróbować równie efektownych, a o wiele bezpieczniejszych eksperymentów, jak na przykład „zegar jodowy”, o którym być może kolejnym razem.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.