Termita

La termita ( / ˈ θ ɜːr m aɪ t / ) ^{[ 1 ]} es una composición pirotécnica de polvo metálico y óxido metálico . Al encenderse por calor o reacción química , la termita experimenta una reacción de reducción-oxidación (redox) exotérmica . La mayoría de las variedades no son explosivas, pero pueden generar breves ráfagas de calor y altas temperaturas en un área pequeña. Su modo de acción es similar al de otras mezclas de combustible y oxidante, como la pólvora negra .

Las termitas tienen composiciones diversas. Los combustibles incluyen aluminio , magnesio , titanio , zinc , silicio y boro . El aluminio es común debido a su alto punto de ebullición y bajo costo. Los oxidantes incluyen óxido de bismuto(III) , óxido de boro(III) , óxido de silicio(IV) , óxido de cromo(III) , óxido de manganeso(IV ) , óxido de hierro(III ) , óxido de hierro(II,III) , óxido de cobre(II) y óxido de plomo(II,IV) . ^{[ 2 ]} En un estudio termoquímico que comprende veinticinco metales y treinta y dos óxidos metálicos, 288 de 800 combinaciones binarias se caracterizaron por temperaturas adiabáticas mayores de 2000 K. ^{[ 3 ]} Combinaciones como estas, que poseen el potencial termodinámico para producir temperaturas muy altas, son ya conocidas por ser reactivas o son sistemas termíticos plausibles.

La primera reacción termita fue descubierta en 1893 por el químico alemán Hans Goldschmidt , quien patentó su proceso. Hoy en día, la termita se utiliza principalmente para la soldadura termita , en particular para soldar vías férreas . También se ha utilizado en el refinado de metales, en la desactivación de municiones y en armas incendiarias . Algunas mezclas similares a la termita se utilizan como iniciadores pirotécnicos en fuegos artificiales .

En el siguiente ejemplo, el aluminio elemental reduce el óxido de otro metal , en este ejemplo común óxido de hierro , porque el aluminio forma enlaces más fuertes y estables con el oxígeno que el hierro:

${\textstyle {\ce {Fe2O3 + 2Al -> 2Fe + Al2O3}}}$

Los productos son óxido de aluminio, hierro elemental , ^{[ 4 ]} y una gran cantidad de calor . Los reactivos suelen estar en polvo y mezclados con un aglutinante para mantener el material sólido y evitar la separación.

Se pueden utilizar otros óxidos metálicos, como el óxido de cromo, para generar el metal deseado en su forma elemental. Por ejemplo, una reacción termita de cobre que utiliza óxido de cobre y aluminio elemental puede emplearse para crear uniones eléctricas en un proceso llamado soldadura por arco de cobre , que produce cobre elemental (puede reaccionar violentamente):

${\textstyle {\ce {3CuO + 2Al -> 3Cu + Al2O3}}}$

Las termitas con partículas de tamaño nanométrico se describen con diversos términos, como compuestos intermoleculares metaestables, supertermita, ^{[ 5 ]} nanotermita , ^{[ 6 ]} y materiales energéticos nanocompuestos. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

La reacción termita ( en alemán : Thermit ) fue descubierta en 1893 y patentada en 1895 por el químico alemán Hans Goldschmidt . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Por consiguiente, a veces se la denomina «reacción Goldschmidt» o «proceso Goldschmidt». Inicialmente, Goldschmidt estaba interesado en producir metales de gran pureza evitando el uso de carbono en la fundición , pero pronto descubrió el valor de la termita en la soldadura . ^{[ 12 ]}

La primera aplicación comercial de la termita fue la soldadura de vías de tranvía en Essen en 1899. ^{[ 13 ]}

El óxido de hierro(III) rojo (Fe₂O₃ , comúnmente _conocido como óxido ) es el óxido de hierro más común utilizado en la termita. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} El óxido de hierro(II,III) negro (Fe₃O₄, magnetita ₎ también _funciona . _[ 17 ^{] Otros óxidos} se utilizan ocasionalmente, como MnO₂ en la termita de manganeso, Cr₂O₃ en la termita _{de cromo} , SiO₂ ( cuarzo) en la termita de silicio o óxido de cobre(II) en la termita de cobre, pero solo para fines especializados. _[ ^{17 ]} Todos estos ejemplos utilizan aluminio como metal reactivo. _Los fluoropolímeros se pueden utilizar en formulaciones especiales; el teflón con magnesio o aluminio es un ejemplo relativamente común. ^El magnesio/teflón/Viton es otro pirolante de este tipo. ^{[ 18 ]}

Las combinaciones de hielo seco (dióxido de carbono congelado) y agentes reductores como magnesio, aluminio y boro siguen la misma reacción química que las mezclas termita tradicionales, produciendo óxidos metálicos y carbono. A pesar de la bajísima temperatura de una mezcla termita de hielo seco, este sistema puede encenderse con una llama. ^{[ 19 ]} Cuando los ingredientes se dividen finamente, se confinan en un tubo y se arman como un explosivo tradicional, esta criotermita es detonable y una parte del carbono liberado en la reacción emerge en forma de diamante . ^{[ 20 ]}

En principio, se podría usar cualquier metal reactivo en lugar de aluminio. Esto rara vez se hace, porque las propiedades del aluminio son casi ideales para esta reacción:

• Forma una capa de pasivación que hace que sea más seguro manipularlo que muchos otros metales reactivos. ^{[ 21 ]}
• Su punto de fusión relativamente bajo (660  °C) significa que es fácil fundir el metal, por lo que la reacción puede ocurrir principalmente en la fase líquida, por lo que procede con bastante rapidez. ^{[ 22 ]}
• Su elevado punto de ebullición (2519  °C) permite que la reacción alcance temperaturas muy altas, ya que varios procesos tienden a limitar la temperatura máxima justo por debajo del punto de ebullición. Un punto de ebullición tan alto es común entre los metales de transición (por ejemplo, el hierro y el cobre hierven a 2887 y 2582  °C, respectivamente), pero es especialmente inusual entre los metales altamente reactivos (compárese con el magnesio y el sodio , que hierven a 1090 y 883  °C, respectivamente).
• Además, la baja densidad del óxido de aluminio formado como resultado de la reacción tiende a dejarlo flotando sobre el metal puro resultante. Esto es particularmente importante para reducir la contaminación en una soldadura. ^{[ 23 ]}

Aunque los reactivos son estables a temperatura ambiente, arden con una reacción exotérmica extremadamente intensa cuando se calientan hasta la temperatura de ignición. Los productos emergen como líquidos debido a las altas temperaturas alcanzadas (hasta 2500  °C (4532 °F) con óxido de hierro(III)), aunque la temperatura real alcanzada depende de la rapidez con que el calor se disipe al entorno. La termita contiene su propio suministro de oxígeno y no requiere ninguna fuente externa de aire. En consecuencia, no se puede sofocar y puede encenderse en cualquier entorno con suficiente calor inicial. Arde bien estando húmeda y no se extingue fácilmente con agua, aunque suficiente agua para eliminar el calor necesario puede detener la reacción. ^{[ 24 ]} Pequeñas cantidades de agua hierven antes de alcanzar la reacción. Aun así, la termita se utiliza para soldar bajo el agua . ^{[ 25 ]}

Las termitas se caracterizan por la casi total ausencia de producción de gas durante la combustión, una alta temperatura de reacción y la producción de escoria fundida . El combustible debe tener un alto calor de combustión y producir óxidos con bajo punto de fusión y alto punto de ebullición. El oxidante debe contener al menos un 25 % de oxígeno, tener alta densidad, bajo calor de formación y producir metal con bajo punto de fusión y alto punto de ebullición (de modo que la energía liberada no se consuma en la evaporación de los productos de reacción). Se pueden añadir aglutinantes orgánicos a la composición para mejorar sus propiedades mecánicas, pero estos tienden a producir productos de descomposición endotérmica, lo que provoca cierta pérdida de calor de reacción y producción de gases. ^{[ 26 ]}

La temperatura alcanzada durante la reacción determina el resultado. En un caso ideal, la reacción produce una fusión bien separada de metal y escoria. Para ello, la temperatura debe ser lo suficientemente alta como para fundir ambos productos de la reacción: el metal resultante y el óxido combustible. Una temperatura demasiado baja produce una mezcla de metal sinterizado y escoria; una temperatura demasiado alta (por encima del punto de ebullición de cualquier reactivo o producto) conduce a la rápida producción de gas, dispersando la mezcla de reacción en combustión, a veces con efectos similares a una explosión de bajo rendimiento. En composiciones destinadas a la producción de metal mediante reacción aluminotérmica , estos efectos pueden contrarrestarse. Una temperatura de reacción demasiado baja (p. ej., al producir silicio a partir de arena) puede aumentarse con la adición de un oxidante adecuado (p. ej., azufre en composiciones de aluminio-azufre-arena); una temperatura demasiado alta puede reducirse utilizando un refrigerante o fundente de escoria adecuado . El fundente que se suele usar en composiciones amateur es el fluoruro de calcio , ya que reacciona mínimamente, tiene un punto de fusión relativamente bajo, baja viscosidad de fusión a altas temperaturas (lo que aumenta la fluidez de la escoria) y forma un eutéctico con la alúmina. Sin embargo, un exceso de fundente diluye los reactivos hasta el punto de impedir la combustión. El tipo de óxido metálico también influye drásticamente en la cantidad de energía producida; cuanto mayor sea el óxido, mayor será la cantidad de energía producida. Un buen ejemplo es la diferencia entre el óxido de manganeso(IV) y el óxido de manganeso(II) , donde el primero produce una temperatura demasiado alta y el segundo apenas es capaz de mantener la combustión; para obtener buenos resultados, se puede usar una mezcla con la proporción adecuada de ambos óxidos. ^{[ 27 ]}

La velocidad de reacción también puede ajustarse modificando el tamaño de las partículas; las partículas más gruesas arden más lentamente que las más finas. Este efecto es más pronunciado cuando las partículas requieren un calentamiento a mayor temperatura para comenzar a reaccionar. Este efecto se lleva al extremo con las nanotermitas .

La temperatura alcanzada en la reacción en condiciones adiabáticas , cuando no se pierde calor al ambiente, puede estimarse utilizando la ley de Hess : calculando la energía producida por la reacción misma (restando la entalpía de los reactivos a la entalpía de los productos) y restando la energía consumida al calentar los productos (a partir de su calor específico, cuando los materiales solo cambian de temperatura, y su entalpía de fusión y, eventualmente, su entalpía de vaporización , cuando los materiales se funden o hierven). En condiciones reales, la reacción pierde calor al ambiente; por lo tanto, la temperatura alcanzada es algo menor. La tasa de transferencia de calor es finita, por lo que cuanto más rápida sea la reacción, más se aproximará a la condición adiabática y mayor será la temperatura alcanzada. ^{[ 28 ]}

En las condiciones adecuadas, los metales arden en un proceso similar a la combustión de la madera o la gasolina. De hecho, el óxido es el resultado de la oxidación del acero o el hierro a velocidades muy lentas. La reacción termita se produce cuando se combinan y encienden las mezclas correctas de combustibles metálicos. La ignición en sí requiere temperaturas extremadamente altas. ^{[ 34 ]}

La ignición de una reacción termita normalmente requiere una bengala o una cinta de magnesio fácilmente disponible, pero puede requerir esfuerzos persistentes, ya que la ignición puede ser poco fiable e impredecible. Estas temperaturas no se pueden alcanzar con mechas de pólvora negra convencionales , varillas de nitrocelulosa , detonadores , iniciadores pirotécnicos u otras sustancias de ignición comunes. ^{[ 17 ]} Incluso cuando la termita está lo suficientemente caliente como para brillar en rojo intenso, no se enciende, ya que tiene una temperatura de ignición muy alta. ^{[ 35 ]} Es posible iniciar la reacción utilizando un soplete de propano si se hace correctamente. ^{[ 36 ]}

A menudo, se utilizan tiras de magnesio como mechas . Debido a que los metales arden sin liberar gases refrigerantes, pueden alcanzar temperaturas extremadamente altas. Los metales reactivos como el magnesio pueden alcanzar fácilmente temperaturas suficientemente elevadas para la ignición termita. La ignición con magnesio sigue siendo popular entre los aficionados a la termita, principalmente por su fácil obtención, ^{[ 17 ]} pero un trozo de la tira en combustión puede desprenderse y caer en la mezcla, provocando una ignición prematura.

La reacción entre el permanganato de potasio y el glicerol o el etilenglicol se utiliza como alternativa al método del magnesio. Al mezclarse estas dos sustancias, se inicia una reacción espontánea que aumenta gradualmente la temperatura de la mezcla hasta producir llamas. El calor liberado por la oxidación de la glicerina es suficiente para iniciar una reacción termita. ^{[ 17 ]}

Además de la ignición con magnesio, algunos aficionados también optan por usar bengalas para encender la mezcla de termita. ^{[ 37 ]} Estas alcanzan las temperaturas necesarias y proporcionan tiempo suficiente antes de que el punto de combustión llegue a la muestra. ^{[ 38 ]} Este método puede ser peligroso, ya que las chispas de hierro , al igual que las tiras de magnesio, arden a miles de grados y pueden encender la termita, aunque la bengala no esté en contacto directo con ella. Esto es especialmente peligroso con termita finamente pulverizada.

Las cabezas de los fósforos arden con la suficiente intensidad como para encender la termita. Es posible utilizar cabezas de fósforos envueltas en papel de aluminio y un mecha viscoso/eléctrico lo suficientemente largo conectado a las cabezas.

De manera similar, la termita finamente pulverizada puede encenderse con un encendedor de chispa de pedernal , ya que las chispas son de metal en combustión (en este caso, los metales de tierras raras altamente reactivos lantano y cerio ). ^{[ 39 ]} Por lo tanto, no es seguro acercar un encendedor a la termita.

Las reacciones termita tienen múltiples aplicaciones. No se trata de un explosivo; su funcionamiento se basa en exponer una zona muy pequeña a temperaturas extremadamente altas. El calor intenso concentrado en un punto reducido puede utilizarse para cortar metal o soldar componentes metálicos, tanto fundiendo el metal de los componentes como inyectando metal fundido proveniente de la propia reacción termita.

La termita puede utilizarse para la reparación mediante soldadura in situ de secciones gruesas de acero, como los bastidores de ejes de locomotoras , donde la reparación puede realizarse sin retirar la pieza de su lugar de instalación. ^{[ 40 ]}

La termita se puede utilizar para cortar o soldar rápidamente acero, como vías férreas , sin necesidad de equipos complejos o pesados. ^{[ 41 ] [ 42 ]} Sin embargo, en estas uniones soldadas suelen presentarse defectos como inclusiones de escoria y huecos (agujeros), por lo que se requiere mucho cuidado para que el proceso se lleve a cabo correctamente. El análisis numérico de la soldadura termita de raíles se ha abordado de forma similar al análisis de enfriamiento de la fundición. Tanto este análisis de elementos finitos como el análisis experimental de soldaduras termita de raíles han demostrado que la separación de soldadura es el parámetro más influyente en la formación de defectos. ^{[ 43 ]} Se ha demostrado que aumentar la separación de soldadura reduce la formación de cavidades de contracción y los defectos de soldadura por solape en frío , y aumentar el precalentamiento y la temperatura de la termita reduce aún más estos defectos. Sin embargo, la reducción de estos defectos promueve una segunda forma de defecto: la microporosidad. ^{[ 44 ]} También se debe tener cuidado para asegurar que los raíles permanezcan rectos, sin que se produzcan juntas hundidas, lo que puede causar desgaste en líneas de alta velocidad y cargas de eje pesadas. ^{[ 45 ]} Los estudios para aumentar la dureza de las soldaduras de termita para reparar orugas han logrado mejoras en la dureza para que se compare más con las orugas originales, manteniendo al mismo tiempo su naturaleza portátil. ^{[ 46 ]}

Como la reacción de la termita es de oxidación-reducción y respetuosa con el medio ambiente, se ha empezado a adaptar para su uso en el sellado de pozos petrolíferos en lugar de hormigón. Aunque la termita suele estar en estado de polvo, una mezcla diluida puede reducir el daño al entorno durante el proceso, si bien un exceso de alúmina puede poner en riesgo la integridad del sello. ^{[ 47 ] [ 48 ]} Se necesitó una mayor concentración de la mezcla para fundir el plástico de un tubo modelo, lo que la convierte en una mezcla favorable. ^{[ 49 ]} Se han realizado otros experimentos para simular el flujo de calor del sellado del pozo y predecir la temperatura en la superficie del sello a lo largo del tiempo. ^{[ 50 ]}

Una reacción termita, cuando se utiliza para purificar los minerales de algunos metales, se llamaProceso termita o reacción aluminotérmica. Una adaptación de la reacción, utilizada para obtener uranio puro , se desarrolló como parte del Proyecto Manhattan en el Laboratorio Ames bajo la dirección de Frank Spedding . A veces se le denomina proceso Ames . ^{[ 51 ]}

La termita de cobre se utiliza para soldar cables de cobre gruesos con fines de conexión eléctrica. Es ampliamente utilizada por las compañías eléctricas y la industria de las telecomunicaciones ( conexiones soldadas exotérmicas ).

Las granadas de mano y cargas de termita son utilizadas habitualmente por las fuerzas armadas tanto en funciones antimateriales como en la destrucción parcial de equipos, siendo esta última común cuando no se dispone de tiempo para métodos más seguros o exhaustivos. ^{[ 52 ] [ 53 ]} Por ejemplo, la termita puede utilizarse para la destrucción de emergencia de equipos criptográficos cuando existe el peligro de que sean capturados por tropas enemigas. Debido a que la termita de hierro estándar es difícil de encender, arde prácticamente sin llama y tiene un pequeño radio de acción, rara vez se utiliza sola como composición incendiaria. En general, un aumento en el volumen de productos de reacción gaseosos de una mezcla de termita aumenta la tasa de transferencia de calor (y por lo tanto el daño) de esa mezcla de termita en particular. ^{[ 54 ]} Normalmente se utiliza con otros ingredientes que aumentan sus efectos incendiarios. Thermate-TH3 es una mezcla de termita y aditivos pirotécnicos que han demostrado ser superiores a la termita estándar para fines incendiarios. ^{[ 55 ]} Su composición en peso es generalmente de aproximadamente 68,7 % de termita, 29,0 % de nitrato de bario , 2,0 % de azufre y 0,3 % de un aglutinante (como PBAN ). ^{[ 55 ]} La adición de nitrato de bario a la termita aumenta su efecto térmico, produce una llama más grande y reduce significativamente la temperatura de ignición. ^{[ 55 ]} Aunque el propósito principal de Thermate-TH3 por parte de las fuerzas armadas es como arma antimaterial incendiaria, también tiene usos en la soldadura de componentes metálicos.

Un uso militar clásico de la termita es la inutilización de piezas de artillería , y se ha utilizado con este fin desde la Segunda Guerra Mundial, como en Pointe du Hoc , Normandía . ^{[ 56 ]} Debido a que inutiliza permanentemente las piezas de artillería sin el uso de cargas explosivas, la termita puede utilizarse cuando se requiere silencio en una operación. Esto se puede lograr insertando una o más granadas de termita armadas en la recámara y cerrándola rápidamente; esto sella la recámara y hace imposible cargar el arma. ^{[ 57 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial, tanto las bombas incendiarias alemanas como las aliadas utilizaban mezclas de termita. ^{[ 58 ] [ 59 ]} Las bombas incendiarias generalmente consistían en docenas de pequeños recipientes rellenos de termita ( bombillas ) encendidos por una mecha de magnesio. Las bombas incendiarias causaron daños masivos en numerosas ciudades debido a los incendios provocados por la termita. Las ciudades compuestas principalmente por edificios de madera eran especialmente vulnerables. Estas bombas incendiarias se utilizaban principalmente durante los ataques aéreos nocturnos . Las miras de bombardeo no podían utilizarse de noche, lo que generó la necesidad de municiones que pudieran destruir objetivos sin requerir una colocación precisa.

Los llamados drones Dragon equipados con munición de termita fueron utilizados por el ejército ucraniano durante la invasión rusa de Ucrania contra posiciones rusas. ^{[ 60 ]}

El uso de termita es peligroso debido a las altísimas temperaturas que produce y a la extrema dificultad para sofocar una reacción una vez iniciada. Los pequeños chorros de hierro fundido que se liberan durante la reacción pueden recorrer distancias considerables y derretir recipientes metálicos, incendiando su contenido. Además, los metales inflamables con puntos de ebullición relativamente bajos, como el zinc (con un punto de ebullición de 907  °C, aproximadamente 1370  °C por debajo de la temperatura a la que arde la termita), podrían proyectar violentamente metal hirviendo al aire si se encuentran cerca de una reacción de termita.

Si, por alguna razón, la termita se contamina con materia orgánica, óxidos hidratados y otros compuestos capaces de generar gases al calentarse o reaccionar con sus componentes, los productos de la reacción pueden dispersarse en forma de aerosol. Además, si la mezcla de termita contiene suficientes espacios vacíos con aire y arde con la suficiente rapidez, el aire sobrecalentado también puede provocar su dispersión. Por este motivo, es preferible utilizar polvos relativamente crudos, de modo que la velocidad de reacción sea moderada y los gases calientes puedan escapar de la zona de reacción.

El precalentamiento de la termita antes de la ignición puede ocurrir fácilmente de forma accidental, por ejemplo, al verter una nueva pila de termita sobre una pila caliente de escoria de termita recién encendida . Al encenderse, la termita precalentada puede arder casi instantáneamente, liberando luz y energía térmica a un ritmo mucho mayor de lo normal y causando quemaduras y daños oculares incluso a una distancia que normalmente sería razonablemente segura.

La reacción termita puede ocurrir accidentalmente en entornos industriales donde los trabajadores utilizan discos abrasivos de esmerilado y corte con metales ferrosos . El uso de aluminio en esta situación produce una mezcla de óxidos que puede explotar violentamente. ^{[ 61 ]}

Mezclar agua con termita o verter agua sobre termita en llamas puede provocar una explosión de vapor , esparciendo fragmentos calientes en todas direcciones. ^{[ 62 ]}

Los ingredientes principales de la termita también se utilizaron por sus cualidades individuales, específicamente reflectividad y aislamiento térmico, en un recubrimiento de pintura o barniz para el zepelín alemán Hindenburg , posiblemente contribuyendo a su destrucción por fuego. Esta fue una teoría planteada por el ex científico de la NASA Addison Bain , y luego probada a pequeña escala por el programa de telerrealidad científica MythBusters con resultados semi-inconclusos (se demostró que no fue culpa de la reacción de la termita únicamente, sino que se conjeturó que fue una combinación de esta y la combustión del gas hidrógeno que llenaba el fuselaje del Hindenburg ). ^{[ 63 ]} El programa MythBusters también probó la veracidad de un video encontrado en Internet, donde una cantidad de termita en un cubo de metal se encendió mientras estaba sobre varios bloques de hielo, causando una explosión repentina. Pudieron confirmar los resultados, encontrando enormes trozos de hielo a una distancia de hasta 50 m del punto de explosión. El copresentador Jamie Hyneman conjeturó que esto se debía a que la mezcla de termita se aerosolizaba , tal vez en una nube de vapor, lo que provocaba que ardiera aún más rápido. Hyneman también expresó escepticismo sobre otra teoría que explicaba el fenómeno: que la reacción separó de alguna manera el hidrógeno y el oxígeno en el hielo y luego los encendió. Esta explicación afirma que la explosión se debe a la reacción del aluminio fundido a alta temperatura con el agua. El aluminio reacciona violentamente con el agua o el vapor a altas temperaturas, liberando hidrógeno y oxidándose en el proceso. La velocidad de esa reacción y la ignición del hidrógeno resultante pueden explicar fácilmente la explosión verificada. ^{[ 64 ]} Este proceso es similar a la reacción explosiva causada por dejar caer potasio metálico en agua.

• ALICE (propelente) – Propelente para cohetes a base de polvo de nanoaluminio 
• Lanza térmica : herramienta térmica que corta materiales densos y pesados. 

• Imágenes y vídeos de termita (incluida termita exótica) archivados el 24 de marzo de 2010 en Wayback Machine.
• Vídeo: fundición de acero con termita
• "Proceso Goldschmidt"  . Enciclopedia Americana . 1920.