テルミット

テルミット（/ ˈ θ ɜːr m aɪ t /）^{[ 1 ]}は、金属粉末と金属酸化物からなる火工品です。熱や化学反応によって点火されると、テルミットは発熱性の酸化還元反応を起こします。ほとんどの種類は爆発性はありませんが、狭い範囲で短時間の熱と高温を発生させることができます。その作用形態は、黒色火薬などの他の燃料酸化剤混合物のそれと似ています。

テルミットは多様な組成を持つ。燃料にはアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛、ケイ素、ホウ素が含まれる。アルミニウムは沸点が高く、コストが低いため一般的である。酸化剤にはビスマス(III)酸化物、ホウ素(III)酸化物、ケイ素(IV)酸化物、クロム(III)酸化物、マンガン(IV)酸化物、鉄(III)酸化物、鉄(II,III)酸化物、銅(II)酸化物、鉛(II,IV)酸化物が含まれる。^{[ 2 ]} 25種類の金属と32種類の金属酸化物を含む熱化学調査では、800種類の二元系のうち288種類が2000 Kを超える断熱温度で特徴付けられていた。^{[ 3 ]}このような組み合わせは、非常に高い温度を生成する熱力学的ポテンシャルを持ち、すでに反応性があることが知られているか、テルミット系である可能性が高い。

最初のテルミット反応は、1893年にドイツの化学者ハンス・ゴルトシュミットによって発見され、彼はその製法で特許を取得しました。現在、テルミットは主にテルミット溶接、特に鉄道のレール溶接に用いられています。テルミットは、金属精錬、弾薬の無力化、焼夷兵器にも使用されてきました。テルミットに似た混合物は、花火の点火剤としても使用されています。

次の例では、単体アルミニウムが他の金属の酸化物（この一般的な例では酸化鉄）を還元します。これは、アルミニウムが鉄よりも酸素とより強く安定した結合を形成するためです。

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

生成物は酸化アルミニウム、元素鉄、^{[ 4 ]}、および大量の熱である。反応物は一般的に粉末状で、材料を固体に保ち分離を防ぐために結合剤と混合される。

クロム酸化物などの他の金属酸化物を用いて、目的の金属を単体で生成することもできます。例えば、酸化銅と単体アルミニウムを用いた銅テルミット反応は、カドウェルディングと呼ばれるプロセスで電気接合部を作る際に利用でき、単体銅を生成します（激しい反応を起こす可能性があります）。

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

^{ナノサイズの粒子を含むテルミットは、準安定分子間複合体、スーパーテルミット[ 5 ]} 、ナノテルミット^{[ 6 ]}、ナノ複合エネルギー材料^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}など、さまざまな用語で説明されます。

テルミット（ドイツ語: Thermit ）反応は、1893 年にドイツの化学者ハンス・ゴルトシュミットによって発見され、 1895 年に特許が出願されました。^{[ 10 ] [ 11 ]}そのため、この反応は「ゴルトシュミット反応」または「ゴルトシュミット法」と呼ばれることもあります。ゴルトシュミットは当初、製錬で炭素を使用せずに非常に純度の高い金属を製造することに興味を持っていましたが、すぐに溶接におけるテルミットの価値を発見しました。^{[ 12 ]}

テルミットの最初の商業的応用は、1899年にエッセンで路面電車の線路の溶接に使用された。 ^{[ 13 ]}

赤色の酸化鉄(III) (Fe ₂ O ₃、一般に錆として知られる) は、テルミットで使用される最も一般的な酸化鉄です。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}黒色の酸化鉄(II,III) (Fe ₃ O ₄、マグネタイト) も機能します。^{[ 17 ]}他の酸化物も、マンガンテルミットのMnO ₂ 、クロムテルミットのCr ₂ O _{3 、シリコンテルミットの SiO 2} (石英)、銅テルミットの酸化銅(II) など、特殊な目的の場合にのみ使用されることがあります。^{[ 17 ]}これらの例はすべて、反応金属としてアルミニウムを使用しています。フッ素ポリマーは特殊な配合で使用でき、マグネシウムまたはアルミニウムを含むテフロンが比較的一般的な例です。マグネシウム/テフロン/バイトンはこの種の別の熱分解剤です。^{[ 18 ]}

ドライアイス（凍結二酸化炭素）とマグネシウム、アルミニウム、ホウ素などの還元剤の組み合わせは、従来のテルミット混合物と同じ化学反応を起こし、金属酸化物と炭素を生成します。ドライアイステルミット混合物の温度は非常に低いにもかかわらず、このようなシステムは炎で点火することができます。^{[ 19 ]}成分を細かく粉砕し、パイプ内に閉じ込めて従来の爆薬のように準備すると、この極低温テルミットは爆発可能になり、反応で放出された炭素の一部がダイヤモンドの形で現れます。^{[ 20 ]}

原理的には、アルミニウムの代わりに反応性の高い金属であれば何でも使用できる。しかし、アルミニウムの特性はこの反応にほぼ理想的であるため、実際にはほとんど行われない。

• 不動態層を形成するため、他の多くの反応性金属よりも安全に取り扱うことができる。^{[ 21 ]}
• 融点が比較的低い（660  ℃）ということは、金属が溶けやすいことを意味し、反応は主に液相で起こり、そのため反応はかなり速く進行する。^{[ 22 ]}
• その高い沸点（2519  ℃）により、反応は非常に高い温度に達することが可能になります。これは、いくつかのプロセスが最高温度を沸点のすぐ下に制限する傾向があるためです。このような高い沸点は遷移金属では一般的ですが（例えば、鉄と銅は それぞれ2887℃と2582℃で沸騰します）、反応性の高い金属では特に珍しいものです（マグネシウムとナトリウムはそれぞれ1090℃と883  ℃で沸騰します）。
• さらに、反応の結果として生成される酸化アルミニウムの密度が低いため、生成された純金属の上に浮遊する傾向があります。これは、溶接部の汚染を低減する上で特に重要です。^{[ 23 ]}

反応物は室温では安定しているが、発火温度まで加熱されると非常に激しい発熱反応 を起こして燃焼する。生成物は高温（酸化鉄(III)の場合は最高2500℃（4532°F））に達するため液体として現れるが、実際に到達する温度は熱が周囲環境にどれだけ早く逃げるかによって異なる。テルミットは酸素を自ら供給するため、外部からの空気源を必要としない。したがって、窒息させることはできず、十分な初期熱があればどんな環境でも発火する可能性がある。湿っているとよく燃え、水で簡単に消火することはできないが、十分な熱を取り除くのに十分な量の水があれば反応は停止する可能性がある。^{[ 24 ]}少量の水は反応に到達する前に沸騰する。それでもテルミットは水中溶接に使用される。^{[ 25 ]}

テルミット反応は、燃焼中にガスの発生がほとんどなく、反応温度が高く、溶融スラグを生成するという特徴があります。燃料は高い燃焼熱を持ち、低融点かつ高沸点の酸化物を生成する必要があります。酸化剤は少なくとも25%の酸素を含み、高密度で、生成熱が低く、低融点かつ高沸点の金属を生成する必要があります（そのため、放出されたエネルギーは反応生成物の蒸発に消費されません）。有機結合剤は、その機械的特性を向上させるために組成物に添加できますが、吸熱分解生成物を生成する傾向があり、反応熱の損失とガスの発生を引き起こします。^{[ 26 ]}

反応中に達成される温度が結果を左右します。理想的な場合、反応によって金属とスラグが十分に分離した溶融物が生成されます。そのためには、反応生成物である金属と燃料酸化物の両方を溶融させるのに十分な温度が必要です。温度が低すぎると、焼結した金属とスラグの混合物が生成されます。温度が高すぎると（反応物または生成物の沸点を超えると）、ガスが急速に発生し、燃焼中の反応混合物が拡散し、場合によっては低収率の爆発に似た影響が生じます。アルミ熱反応による金属製造を目的とした組成物では、これらの影響を軽減することができます。反応温度が低すぎる場合（例えば、砂からシリコンを製造する場合）、適切な酸化剤（例えば、アルミニウム-硫黄-砂組成物中の硫黄）を添加することで温度を上げることができます。温度が高すぎる場合は、適切な冷却剤またはスラグフラックスを使用することで温度を下げることができます。アマチュアの組成でよく使われるフラックスはフッ化カルシウムです。これは反応が最小限で、融点が比較的低く、高温での溶融粘度が低く（そのためスラグの流動性が高まります）、アルミナと共晶を形成します。しかし、フラックスが多すぎると、反応物が希釈されて燃焼を維持できなくなります。金属酸化物の種類も生成されるエネルギー量に大きな影響を与えます。酸化物の濃度が高いほど、生成されるエネルギー量も多くなります。良い例は、酸化マンガン(IV)と酸化マンガン(II)の違いです。前者は高温になりすぎ、後者は燃焼を維持するのがやっとです。良い結果を得るには、両方の酸化物を適切な比率で混合したものを使用できます。^{[ 27 ]}

反応速度は粒子サイズによっても調整可能であり、粗い粒子は細かい粒子よりも燃焼速度が遅い。この効果は、反応開始に高温を必要とする粒子ほど顕著になる。ナノサーマイトでは、この効果が極限まで高まる。

断熱条件下、つまり周囲に熱が失われない状態での反応で達成される温度は、ヘスの法則を用いて推定できます。これは、反応自体によって生成されるエネルギー（生成物のエンタルピーから反応物のエンタルピーを差し引く）を計算し、生成物を加熱することによって消費されるエネルギー（物質が温度のみ変化する場合は比熱から、物質が融解または沸騰する場合は融解エンタルピーと蒸発エンタルピーから）を差し引くことによって求められます。実際の条件下では、反応は周囲に熱を放出するため、達成される温度はやや低くなります。熱伝達速度は有限であるため、反応が速いほど断熱条件に近づき、達成される温度が高くなります。^{[ 28 ]}

金属は、適切な条件下では、木材やガソリンの燃焼に似たプロセスで燃焼します。実際、錆は鋼鉄や鉄の非常にゆっくりとした酸化の結果です。テルミット反応は、適切な金属燃料の混合物が結合して着火したときに発生します。着火自体には非常に高い温度が必要です。^{[ 34 ]}

テルミット反応の点火には通常、スパークラーや入手しやすいマグネシウムリボンが必要ですが、点火は不安定で予測不可能な場合があるため、根気強く試みる必要があるかもしれません。これらの温度は、従来の黒色火薬の導火線、ニトロセルロース棒、雷管、火工品の点火装置、またはその他の一般的な点火物質では到達できません。^{[ 17 ]}テルミットが真っ赤に光るほど熱くなっても、点火温度が非常に高いため、点火しません。^{[ 35 ]}正しく行えば、プロパントーチを使用して反応を開始できます。^{[ 36 ]}

マグネシウム金属の細片は、導火線としてよく使用されます。金属は冷却ガスを放出せずに燃焼するため、極めて高い温度で燃焼する可能性があります。マグネシウムなどの反応性金属は、テルミットの着火に十分な高温に容易に達することができます。マグネシウム着火は、入手が容易であることから、アマチュアのテルミットユーザーの間で依然として人気がありますが、^{[ 17 ]}燃焼中の細片が混合物に落ちて、早期着火を引き起こす可能性があります。

過マンガン酸カリウムとグリセロールまたはエチレングリコールとの反応は、マグネシウム法の代替として使用されます。これら2つの物質を混合すると、自発的な反応が始まり、混合物の温度が徐々に上昇して炎が発生します。グリセリンの酸化によって放出される熱は、テルミット反応を開始するのに十分です。^{[ 17 ]}

マグネシウム点火の他に、テルミット混合物に点火するためにスパークラーを使用するアマチュアもいます。^{[ 37 ]}これらは必要な温度に達し、燃焼点がサンプルに達する前に十分な時間を提供します。^{[ 38 ]}これは危険な方法となる可能性があります。マグネシウムのストリップと同様に、鉄の火花は数千度で燃焼し、スパークラー自体がテルミットに接触していなくてもテルミットに点火する可能性があります。これは、微粉末テルミットの場合に特に危険です。

マッチの頭はテルミットを発火させるほど高温になる。アルミホイルで包んだマッチの頭と、その頭まで十分な長さの粘性導火線／電気マッチを繋げることで、着火が可能となる。

同様に、微粉末状のテルミットは、火花が金属（この場合は反応性の高い希土類金属であるランタンとセリウム）を燃焼させるため、火打ち石式ライターで点火することができます。 ^{[ 39 ]}したがって、テルミットの近くでライターを擦るのは危険です。

テルミット反応には多くの用途があります。テルミット反応は爆発物ではなく、ごく狭い範囲を極めて高い温度にさらすことで作用します。小さな一点に集中した強烈な熱を利用することで、金属を切断したり、金属部品を溶接したりすることができます。溶接には、部品から金属を溶かす方法と、テルミット反応によって発生した溶融金属を注入する方法の両方が用いられます。

テルミットは、機関車の車軸フレームなどの厚い鋼材部分の補修に、設置場所から部品を取り外すことなく溶接して行うことができる。^{[ 40 ]}

テルミットは、複雑な装置や重機を必要とせずに、レールなどの鋼材を迅速に切断または溶接するために使用できます。 ^{[ 41 ] [ 42 ]}しかし、このような溶接接合部には、スラグ介在物や空隙（穴）などの欠陥がしばしば存在するため、プロセスを正常に実行するには細心の注意が必要です。レールのテルミット溶接の数値解析は、鋳造冷却解析と同様のアプローチで行われてきました。この有限要素解析とテルミットレール溶接の実験解析の両方で、溶接ギャップが欠陥形成に最も影響を与えるパラメータであることが示されています。^{[ 43 ]}溶接ギャップを大きくすると、収縮空洞の形成とコールドラップ溶接欠陥が減少することが示されており、予熱とテルミット温度を上げると、これらの欠陥がさらに減少します。ただし、これらの欠陥を減らすと、2番目の形態の欠陥である微細孔が促進されます。^{[ 44 ]}また、レールがまっすぐな状態を維持し、高速で重い車軸荷重の線路に摩耗を引き起こす可能性のある凹んだ接合部が生じないように注意する必要があります。^{[ 45 ]}履帯を補修するためのテルミット溶接の硬度に関する研究により、携帯性を維持しながら元の履帯に匹敵する硬度に改善されました。^{[ 46 ]}

テルミット反応は酸化還元反応であり、環境に優しいことから、コンクリートの代わりに油井のシール材として利用され始めている。テルミットは通常粉末状であるが、希釈した混合物を使用することで、反応中の周囲への損傷を軽減できる。ただし、アルミナが多すぎるとシールの完全性を損なう恐れがある。^{[ 47 ] [ 48 ]}プラスチック製の模型チューブを溶かすには、より高濃度の混合物が必要であったため、好ましい混合物である。^{[ 49 ]}シールの表面温度を時間経過とともに予測するために、油井シールの熱流束をシミュレートする他の実験も行われている。^{[ 50 ]}

テルミット反応は、一部の金属鉱石を精製するために使用する場合、テルミット法、またはアルミノテルミック反応。純粋なウランを得るために用いられるこの反応の改良版は、マンハッタン計画の一環として、フランク・スペディングの指揮の下、エイムズ研究所で開発された。これはエイムズ法と呼ばれることもある。 ^{[ 51 ]}

銅テルミットは、電気接続のために太い銅線を溶接する際に使用されます。電力会社や通信会社で広く利用されています（発熱溶接接続）。

テルミット手榴弾と爆薬は、通常、対物兵器としての役割と、装備の部分的破壊の両方で軍隊によって使用され、後者は、より安全で徹底的な方法を行う時間がない場合によく使用されます。 ^{[ 52 ] [ 53 ]}例えば、テルミットは、敵部隊に奪われる危険性がある場合に、暗号機器を緊急に破壊するために使用できます。標準的な鉄テルミットは着火しにくく、ほとんど炎を出さずに燃焼し、作用半径が小さいため、標準的なテルミットは焼夷組成物として単独で使用されることはほとんどありません。一般に、テルミット混合物の気体反応生成物の体積が増加すると、その特定のテルミット混合物の熱伝達率（したがって損傷）が増加します。^{[ 54 ]}通常、焼夷効果を高める他の成分と一緒に使用されます。Thermate -TH3は、焼夷目的で標準的なテルミットよりも優れていることがわかっているテルミットと火工品添加剤の混合物です。^{[ 55 ]}重量比で、その組成は一般的にテルミット約68.7%、硝酸バリウム29.0% 、硫黄2.0% 、結合剤（ PBANなど）0.3%である。^{[ 55 ]}テルミットに硝酸バリウムを加えると、熱効果が高まり、炎が大きくなり、着火温度が大幅に低下する。^{[ 55 ]}軍によるサーメイトTH3の主な目的は焼夷対物兵器であるが、金属部品の溶接にも使用される。

テルミットの古典的な軍事用途は砲兵の無力化であり、第二次世界大戦以来、ノルマンディーのポワント・デュ・ホックなどでこの目的で使用されてきた。[ 56 ]^{テルミットは爆薬}を使用せずに砲兵を永久的に無力化するため、作戦に静粛性が必要な場合に使用できる。これは、1つまたは複数のテルミット手榴弾を砲尾に挿入し、素早く閉じることで実現できる。これにより砲尾が溶着して閉じられ、武器の装填が不可能になる。^{[ 57 ]}

第二次世界大戦中、ドイツ軍と連合軍の両方の焼夷弾はテルミット混合物を使用していた。^{[ 58 ] [ 59 ]}焼夷弾は通常、マグネシウム信管で点火される数十個の薄いテルミット入り容器（小爆弾）で構成されていた。焼夷弾はテルミットによって引き起こされる火災により、多くの都市で甚大な被害をもたらした。主に木造建築物で構成されている都市は特に被害を受けやすかった。これらの焼夷弾は主に夜間の空襲で使用された。夜間は爆撃照準器を使用できないため、精密な位置指定を必要とせずに目標を破壊できる弾薬が必要となった。

いわゆるドラゴンドローンは、ロシアによるウクライナ侵攻の際に、ロシア軍陣地に対してウクライナ軍によって使用された。^{[ 60 ]}

テルミット反応は、発生する温度が非常に高く、一度反応が始まると消火が極めて困難であるため、危険を伴います。反応で放出される溶融鉄の小さな流れはかなりの距離を移動し、金属容器を溶かして内容物に引火する可能性があります。さらに、亜鉛（沸点は907  ℃で、 テルミットの燃焼温度より約1,370℃低い）のような比較的沸点の低い可燃性金属は、テルミット反応の近くにいると、過熱した沸騰金属を激しく空中に噴出させる可能性があります。

何らかの理由でテルミットが有機物、水酸化物、その他加熱時またはテルミット成分との反応時にガスを発生する化合物で汚染された場合、反応生成物が噴霧される可能性があります。さらに、テルミット混合物に十分な量の空気の空隙があり、かつ燃焼速度が速い場合、過熱された空気によって混合物が噴霧される可能性もあります。そのため、反応速度が適度で高温ガスが反応ゾーンから逃げやすいように、比較的粗い粉末を使用することが望ましいです。

テルミットの着火前の予熱は、例えば、着火直後の高温のテルミットスラグの上に新しいテルミットを注ぎ込むなど、意図せずとも容易に起こり得る。予熱されたテルミットは着火するとほぼ瞬時に燃焼し、通常よりもはるかに速い速度で光と熱エネルギーを放出するため、通常であれば比較的安全な距離であっても火傷や眼の損傷を引き起こす可能性がある。

テルミット反応は、鉄系金属で研磨砥石や切断砥石を使用する工業現場で偶発的に発生する可能性があります。このような状況でアルミニウムを使用すると、激しく爆発する可能性のある酸化物の混合物が生成されます。^{[ 61 ]}

テルミットに水を混ぜたり、燃えているテルミットに水をかけたりすると、蒸気爆発が起こり、熱い破片があらゆる方向に飛び散ることがあります。^{[ 62 ]}

テルミットの主成分は、反射率と断熱性という個々の特性のために、ドイツの飛行船ヒンデンブルク号の塗料やドープにも使用され、その炎上による破壊の一因となった可能性がある。これは元NASA科学者のアディソン・ベインが提唱した理論であり、後に科学リアリティTV番組「MythBusters」で小規模に検証されたが、結果はやや不確定であった（テルミット反応のみが原因ではなく、テルミット反応とヒンデンブルク号の機体を満たしていた水素ガスの燃焼の組み合わせが原因であると推測された）。^{[ 63 ]}「MythBusters」番組では、インターネットで見つけた動画の真偽も検証した。その動画では、金属製のバケツに入ったテルミットを氷の塊の上に置いて点火すると、突然爆発が起こる。彼らは結果を確認することができ、爆発地点から50mも離れた場所に巨大な氷の塊を発見した。共同司会者のジェイミー・ハイネマンは、これはテルミット混合物が蒸気の雲の中でエアロゾル化し、さらに速く燃焼したためではないかと推測した。ハイネマンはまた、この現象を説明する別の理論、つまり反応によって氷の中の水素と酸素が分離され、その後着火したという理論にも懐疑的な見解を示した。この説明では、爆発は高温の溶融アルミニウムと水の反応によるものだと主張している。アルミニウムは高温で水や蒸気と激しく反応し、その過程で水素を放出し、酸化する。その反応の速度と結果として生じた水素の着火は、確認された爆発を容易に説明できる。^{[ 64 ]}このプロセスは、金属カリウムを水に落としたときに起こる爆発反応に似ている。

• ALICE（推進剤）– ナノアルミニウム粉末ロケット推進剤 
• サーマルランス– 高密度で重い材料を切断する熱工具 

• テルミットの写真と動画（珍しいテルミットを含む） 2010年3月24日にWayback Machineにアーカイブされました
• 動画 – テルミットを用いた鋼の鋳造
• 「ゴルトシュミット法」 。 『エンサイクロペディア・アメリカーナ』。1920年。