Spannender Demonstrations-Baukasten Thermit-Versuch (Aluminothermie), Thermitverfahren für den Chemieunterricht 

Das Thermitverfahren im Chemieunterricht demonstrieren

Die Verbindung zweier Metallteile mit Hilfe des Thermit Schweißverfahren ist technisch, chemisch und praktisch von großer Bedeutung. Die Reduktion von Eisenoxid mit Aluminium führt zu extrem hohen Temperaturen. Das reduzierte  Eisen schmilzt und wird so in die Lage versetzt, zwei Metallenden bruchfest miteinander zu verschweißen. Praktische Anwendung findet das Verfahren bspw. im Schienenbau. Mit dem Demo – Baukasten Thermit – Versuch  ist die Möglichkeit gegeben, diese Reaktion gefahrlos und auf eindrucksvolle Weise im chemieunterricht zu demonstrieren.

Bestandteile des Demonstrations-Baukasten Thermitverfahren: 

• Thermit Versuch (im Lieferumfang)

Für den Versuchsaufbau Thermitverfahren benötigt:

• 1 Kartuschenbrenner DIN Ausführung

• 1 Gasanzünder, mechanisch

• 1 Tiegelzange 200 mm.

• 1 Messschaufel PP, 50 ml

• 1 Magnet mit Bohrung.

Optional:

• 1 Wärmeschutzplatte Keramikfaser

• 1 Hitzeschutz-Handschuhe

Zusätzlich erforderlich:

• Hammer

• Aluminiumfolie

Lernziele des Demonstrationsversuchs:

• Redox-Reaktion

• Thermit-Verfahren

• Metalle

• Schweißen von Eisen

• Aluminiumwerkstoffe

• Eisen

• Aluminium

Bereits 1856 wurde die reduzierende Wirkung des Aluminiums von Tissier erkannt. Andere Forscher begannen diese zu nutzen. Ein Problem war, dass häufig die Tiegel aufgrund der Heftigkeit der Reaktion zersprangen. Hans Goldschmidt löste 1897 das Problem durch die Entdeckung eines gebändigten Reaktionsablaufes. Bei Initialzündung eines aluminothermischen Gemisches an einer einzigen Stelle kommt es zu einer kontrollierten exothermen Reaktion, die sich durch das ganze Gemisch fortsetzt. Goldschmidt war somit der Begründer des Thermit-Verfahrens, das von da an technische Anwendung fand. Es konnten damit kohlefreie Metalle hergestellt werden, die von der Stahlindustrie für Legierungen benötigt wurden. So ließen sich auch schwer reduzierbare Metalle und solche, bei denen die Reduktion mit Kohle zu Carbiden führt, herstellen (z.B. Cr, Si, B, Co, V, Mn).

Goldschmidt erkannte ebenfalls, dass sich die bei der Reaktion frei werdende Wärme zum Schweißen nutzen ließe. Die erste Thermit-Schweißung an Straßenbahnschienen geschah 1899 in Wuppertal. Heute ist es als Verfahren zum mobilen Schweißen weltweit verbreitet. Die Reaktion auf der das Thermit-Verfahren basiert, ist eine Redoxreaktion zwischen Aluminium und dem Oxid des Metalls, das man herstellen möchte.

Es handelt sich also um eine sehr stark exotherme Reaktion, die es ermöglicht Temperaturen von bis zu 2400 °C zu erzielen und somit Eisen in flüssiger Form zu erzeugen. Um die Reaktion zu starten muss die Passivierung durch die Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiums überwunden werden. Dies geschieht durch Aufbringung einer hohen Aktivierungsenergie. Das Thermitgemisch zündet bei einer Temperatur von über 1500 °C.

Die bei der Reaktion lokal entstehende Wärmeenergie genügt als Aktivierungsenergie für die angrenzenden Bereiche, sodass sich die Reaktion kontrolliert über das Thermitgemisch ausbreitet. Das Thermit-Verfahren wurde von Ostwald als „Hochofen in der Westentasche" bezeichnet, da sich damit mobil in kleinem Umfang, unabhängig von äußeren Energiequellen, Eisen herstellen lässt. Beispielsweise werden beim Schienenschweißen die Schienenlücken mit Gussformen aus CO2-gehärtetem Quarzsand umgeben und mit feuerfestem, plastischem Formstoff abgedichtet. Nach dem vollständigen Erkalten erfolgt das Schleifen der Schienen.

Im hier vorgestellten Versuch wird das oben dargestellte Verfahren zur mobilen Herstellung von Thermit-Stahl durchgeführt. Mit einem Magneten wird nachgewiesen, dass dabei nicht Aluminium geschmolzen wird, sondern dass tatsächlich Eisen entsteht.