واکنش الومینوترمی

واکنش آلومینوترمی. فرایند واکنش احیای آلومینوترمی ( Aluminothermic reaction ) اکسید فلزات یک واکنش گرمازا است و در آن از آلومینیوم به عنوان عنصر احیاکننده در دماهای بالا استفاده می شود. یکی از مثال های برجستهٔ آن احیای اکسید آهن توسط آلومینیوم به صورت زیر است:
Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3
احیای یک اکسید توسط پودر ریز آلومینیوم نخستین بار توسط Saint – Claire Deville و برای اکسید کروم توسط Vohler صورت گرفت؛ ولی به علت اینکه اینچنین فرایندی مستلزم روش هایی برای تولید نسبتاً ارزان آلومینیوم بود، تا مدت ها بعد توسعه تجاری پیدا نکرد. به طور کلی این واکنش به شدت گرمازا بوده و خطر انفجار دارد که بایستی به دقت آن را در نظر گرفت. [ ۱]
بونزن با گرم کردن مخلوطی از آلومینیوم و اکسید فلز توانست فلز مذاب و سرباره ای از آلومینا را تولید نماید. با استفاده از این روش واکنش های دیگری بر روی فلزات قلیایی و هالوژن ها صورت گرفت که این واکنش ها به خاطر انفجاری بودنشان غالباً در محفظه های سربسته صورت می گرفتند، بدین صورت که پس از گرم کردن مخلوط از یک نقطه شروع به فعالیت می کرد. [ ۲]
در سال 1893 Goldschmite به این نتیجه رسید که واکنش های آلومینوترمی را می توان به صورت آهسته و نه به حالت انفجاری هم، به جریان انداخت. اومقدار کمی از اکسید فلز و فلز احیاء کننده را خرد نموده و با یکدیگر مخلوط کرد. پس از شروع واکنش، باقی مانده مخلوط مواد را مرحله به مرحله به مخلوط اولیه در حال واکنش اضافه نمود و بدین ترتیب وی روش تکامل یافته ای از این واکنش را برای اولین بار در سال ۱۸۹۳ میلادی در مجمع الکتروشیمی آلمان به صورت گزارشی ارائه داد که در صنعت متداول گردید.
استفاده از آلومینیوم در فرایندهای متالوترمی به عنوان ماده احیاء کننده به دلیل خلوص بالا، قیمت تقریباً پایین و پایداری شیمیایی آن حتی در حالت پودر بسیار ریز، و همچنین تمایل آن در احیای اکسیدها، مورد توجه خاصی قرار دارد. این فرایند با به کارگیری قوانین آلومینوترمی به منظور احیای اکسیدهای فلزاتی که واکنش پذیر هم گفته می شوند از جمله کروم و وانادیم و سپس جدایش آلومینیوم و اکسیژن از این قبیل فلزات و آلیاژها مرتبط است. فلزات واکنش پذیر از میل زیادشان به جذب اکسیژن و پایداری بالای اکسیدهایشان شناخته می شوند. در ضمن خواص مکانیکی مطلوب این عناصر فلزی و آلیاژهایشان مثل نرمی فقط تا زمانی که نیتروژن و اکسیژن موجود در آن ها خیلی پایین است بروز خواهد کرد. کانه فلزات واکنش پذیر عموماً شامل اکسیژن است و بنابراین یک شیوه غالب در فرایندهای متالورژیکی استخراجی برای بازیابی این عناصر فلزی و آلیاژهایشان این است که شرایط فرایند طوری طراحی می شود که مقدار زیادی اکسیژن از کانه خارج شود و از واکنش بین اکسیژن و نیتروژن تا حد ممکن جلوگیری شود. یک روش متعارف برای دستیابی به اهداف بالا، تشکیل کلریدهای فلزات واکنش پذیر و در نتیجه جداسازی اکسیژن از فلز واکنش پذیر به مقدار لازم می باشد. در بسیاری از موارد تبخیر کلریدها اجازه می دهد که با تبخیر بسیاری از ناخالصی های موجوددر سنگ معدن آن را خالص سازیم. کلرید خالص فلز واکنش پذیر، به کمک احیا با فلز دیگری که از نظر ترمودینامیکی قابلیت خارج کردن کلر از فلز واکنش پذیر را داراست، به فلز فعال احیا می شود. محصول این احیای متالوترمی یک فلز واکنش پذیر ( معمولاً با دانه بندی کاملاً ریز مثل اسفنج ) و کلرید فلز احیاکننده است. این فرایند که به نام مخترعش کرول نام گرفت، فرایند متالورژی استخراجی فراگیر حال حاضر است که برای تهیه تیتانیوم، زیرکونیوم و هافنیوم به کار گرفته می شود. یک روش دیگر برای رسیدن به اهداف مورد نظر، احیای سنگ معدن های اکسیدی فلزات واکنش پذیر به کمک آلومینیوم می باشد. این روش به پایداری بالای آلومینا مرتبط است که توسط آن احیای مستقیم به فلز واکنش پذیر انجام می شود در حال حاضر روش احیای آلومینوترمی برای تولید خیلی از فلزات و آلیاژها ( مخصوصا فروآلیاژها ) اهمیت صنعتی دارد. این قبیل فلزات و آلیاژها، فلزات واکنش پذیر کروم، نیوبیوم، تانتالوم و نیز فلزات دیرگداز مانند تنگستن را دربردارند.