در واکنش ترمیت، پودر آلومینیم اکسیژن را از اکسید یک فلز میگیرد و همزمان مقدار زیادی گرما آزاد میشود. نمونه شناختهشده آن واکنش آلومینیم با آهن(III) اکسید است که آهن مذاب و آلومینیم اکسید میسازد. ظاهر درخشان واکنش ممکن است آن را شبیه سوختن ساده نشان دهد، اما برای فهم دقیق باید انتقال الکترون، تغییر عدد اکسایش و نسبتهای مولی را دنبال کنیم. در این مقاله معادله ترمیت را موازنه میکنیم، نقش اکسنده و کاهنده را میشناسیم، علت گرمازایی را در سطح پیوندها توضیح میدهیم و با یک مثال عددی، واکنشدهنده محدودکننده و جرم آهن تولیدشده را به دست میآوریم. این واکنش بسیار داغ و خطرناک است و بررسی آن در اینجا صرفاً آموزشی است، نه راهنمای اجرای آزمایش.
ترمیت نام یک نوع واکنش جانشینی اکسایشـکاهش است
ترمیت به مخلوطی از پودر یک فلز فعال، معمولاً آلومینیم، و اکسید فلزی کمفعالتر گفته میشود. در نمونه درسی رایج، واکنش کلی Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe است. آلومینیم جای آهن را در ترکیب اکسیدی میگیرد؛ بنابراین از دید الگوی واکنشها، با یک جانشینی یگانه روبهرو هستیم.
وقوع این جانشینی را میتوان با تمایل زیاد آلومینیم به ترکیبشدن با اکسیژن مرتبط دانست. آلومینیم از آهن فعالتر است و میتواند یونهای آهن را در اکسید آهن کاهش دهد. بااینحال نباید نتیجه گرفت هر فلز فعال با هر اکسید فلزی در هر شرایطی واکنشی سریع میدهد؛ انرژی فعالسازی، شکل فیزیکی مواد و پایداری فرآوردهها نیز مهماند.
- واکنش کلی: Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe
- الگوی ظاهری واکنش، جانشینی یگانه است
- ماهیت الکترونی واکنش، اکسایشـکاهش است
- فعالتربودن فلز بهتنهایی سرعت واکنش را تعیین نمیکند
عدد اکسایش نشان میدهد آلومینیم اکسید و آهن کاهش مییابد
در سمت واکنشدهندهها، عدد اکسایش آلومینیم عنصری صفر است. آلومینیم در Al₂O₃ عدد اکسایش ۳+ دارد؛ پس هر اتم Al سه الکترون از دست میدهد و اکسید میشود. برای دو اتم آلومینیم، مجموعاً شش الکترون از دست میرود: 2Al → 2Al³⁺ + 6e⁻.
در Fe₂O₃، اکسیژن عدد اکسایش ۲− دارد؛ بنابراین عدد اکسایش هر آهن ۳+ است. هر یون Fe³⁺ سه الکترون میگیرد و به آهن با عدد اکسایش صفر تبدیل میشود. دو یون آهن در مجموع شش الکترون میگیرند: 2Fe³⁺ + 6e⁻ → 2Fe. برابرشدن شمار الکترونهای داده و گرفته، نسبت ۲ مول Al به ۱ مول Fe₂O₃ را نیز تأیید میکند.
- Al: صفر ← ۳+؛ اکسایش
- Fe: ۳+ ← صفر؛ کاهش
- دو اتم Al در مجموع ۶ الکترون میدهند
- دو یون Fe³⁺ در مجموع ۶ الکترون میگیرند
آلومینیم عامل کاهنده و آهن(III) اکسید عامل اکسنده است
عامل کاهنده مادهای است که گونه دیگر را کاهش میدهد و خودش اکسید میشود. چون Al الکترون میدهد و Fe³⁺ را به Fe تبدیل میکند، آلومینیم عامل کاهنده است. عامل اکسنده الکترون میگیرد و خودش کاهش مییابد؛ در این واکنش، یونهای Fe³⁺ موجود در Fe₂O₃ نقش اکسنده را دارند و در بیان مواد، آهن(III) اکسید عامل اکسنده است.
یک دام رایج آن است که واژه «کاهنده» را با کاهش عدد اکسایش خود ماده پیوند دهیم. برعکس، عامل کاهنده سبب کاهش ماده دیگر میشود و عدد اکسایش خودش بالا میرود. برای تشخیص مطمئن، به جای حفظکردن نامها ابتدا تغییر عدد اکسایش را بنویس و سپس نقش هر واکنشدهنده را تعیین کن.
- عامل کاهنده الکترون میدهد و اکسید میشود
- عامل اکسنده الکترون میگیرد و کاهش مییابد
- Al عامل کاهنده است
- Fe₂O₃، دقیقتر یون Fe³⁺ در آن، عامل اکسنده است
معادله با پایستگی اتم و الکترون موازنه میشود
برای موازنه Fe₂O₃ + Al → Al₂O₃ + Fe ابتدا توجه کن که سه اتم اکسیژن در Fe₂O₃ وجود دارد و همین سه اتم در یک واحد Al₂O₃ قرار میگیرند؛ پس ضریب این دو ترکیب یک است. Al₂O₃ دو اتم آلومینیم دارد، بنابراین ضریب Al را ۲ میگذاریم. در پایان برای برابرشدن دو اتم آهن، ضریب Fe را ۲ قرار میدهیم.
ضرایب ۱، ۲، ۱ و ۲ کوچکترین عددهای صحیحاند. کنترل الکترونی نیز همان نتیجه را میدهد: دو آلومینیم شش الکترون از دست میدهند و دو آهن(III) شش الکترون میگیرند. اکسیژن در این معادله عدد اکسایش خود را تغییر نمیدهد؛ از Fe₂O₃ به Al₂O₃ منتقل میشود. پس تعبیر «آلومینیم اکسیژن را میگیرد» با انتقال اتم اکسیژن سازگار است، اما ذره آزاد O₂ در معادله حضور ندارد.
تشکیل آلومینیم اکسید پایدار، واکنش را بسیار گرماده میکند
در یک واکنش گرماده، آنتالپی فرآوردهها از آنتالپی واکنشدهندهها کمتر است و اختلاف انرژی به محیط منتقل میشود. پیوندها و برهمکنشهای بسیار پایدار در شبکه Al₂O₃ سبب میشوند تشکیل این اکسید انرژی زیادی آزاد کند. در مجموع، انرژی آزادشده هنگام تشکیل فرآوردهها از انرژی لازم برای تغییر پیوندها و شبکه واکنشدهندهها بیشتر است؛ بنابراین ΔH واکنش منفی است.
گرمازایی با خودبهخودیبودن آغاز واکنش یکسان نیست. مخلوط ترمیت در دمای اتاق ممکن است بدون آغازگر مناسب واکنش محسوسی نداشته باشد، زیرا برای عبور از سد انرژی فعالسازی به انرژی اولیه زیادی نیاز دارد. پس یک واکنش میتواند پس از آغاز بسیار گرماده باشد ولی شروع آن همچنان دشوار باشد. کاتالیزگر نیز ΔH را تغییر نمیدهد؛ فقط اگر در یک واکنش مناسب به کار رود مسیر و انرژی فعالسازی را تغییر میدهد.
- ΔH ترمیت منفی و واکنش گرماده است
- پایداری زیاد Al₂O₃ در آزادشدن انرژی نقش دارد
- گرمادهبودن به معنی آغاز خودکار در دمای اتاق نیست
- انرژی فعالسازی با گرمای کل واکنش تفاوت دارد
حالت فیزیکی و دمای زیاد، کاربرد و خطر واکنش را توضیح میدهد
گرمای آزادشده میتواند آهن تولیدشده را به حالت مذاب برساند. از این ویژگی در شرایط صنعتی کنترلشده برای جوشدادن قطعههای فولادی ضخیم، از جمله بعضی اتصالهای ریل، استفاده شده است. مادهای که نقش شیمیایی اصلی را دارد اکسیژن مولکولی هوا نیست؛ اکسیژن لازم برای اکسایش آلومینیم از اکسید فلزی تأمین میشود.
دمای بسیار بالا، نور شدید و پرتاب مواد مذاب سبب میشود ترمیت برای آزمایش خانگی یا کلاس عادی مناسب نباشد. آب روش ایمنی برای تماس با مواد بسیار داغ یا فلز مذاب نیست و میتواند با بخارشدن سریع، مواد را پراکنده کند. نتیجه آموزشی لازم این است که معادله و محاسبات را روی کاغذ تحلیل کنیم و هر نمایش واقعی فقط در محیط تخصصی، با ارزیابی خطر و تجهیزات حرفهای انجام شود.
- آهن میتواند به دلیل گرمای واکنش مذاب شود
- اکسیژن واکنش از Fe₂O₃ میآید، نه از O₂ هوا
- کاربرد صنعتی به گرمای زیاد و آهن مذاب وابسته است
- این واکنش آزمایش خانگی یا دانشآموزی نیست
مثال حلشده: واکنشدهنده محدودکننده و جرم آهن را پیدا کن
فرض کن 32.0 g آهن(III) اکسید با 10.8 g آلومینیم در محاسبه نظری واکنش دهد. با جرمهای اتمی تقریبی Fe=56، O=16 و Al=27، جرم مولی Fe₂O₃ برابر 160 g/mol است؛ پس مقدار آن 32.0÷160 = 0.200 mol میشود. مقدار آلومینیم نیز 10.8÷27 = 0.400 mol است.
طبق Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe، برای 0.200 mol Fe₂O₃ دقیقاً 0.400 mol Al لازم است؛ بنابراین دو ماده به نسبت استوکیومتریاند و هیچکدام اضافی نیست. مقدار آهن تولیدی 2×0.200 = 0.400 mol و جرم نظری آن 0.400×56 = 22.4 g است. همچنین 0.200 mol Al₂O₃ با جرم مولی 102 g/mol ساخته میشود که جرمش 20.4 g است؛ مجموع 22.4 و 20.4 برابر 42.8 g، یعنی جرم کل واکنشدهندههاست.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: اگر 16.0 g Fe₂O₃ با 8.10 g Al در نظر گرفته شود، واکنشدهنده محدودکننده و جرم نظری آهن را بیاب. مقدار Fe₂O₃ برابر 16.0÷160 = 0.100 mol و مقدار Al برابر 8.10÷27 = 0.300 mol است. برای 0.100 mol اکسید فقط 0.200 mol Al لازم است؛ پس Fe₂O₃ محدودکننده و 0.100 mol Al اضافی است. آهن حاصل 0.200 mol یا 11.2 g خواهد بود.
برای حل هر مسئله ترمیت، ابتدا معادله را موازنه و جرمها را به مول تبدیل کن. سپس مقدار موجود هر واکنشدهنده را با نسبت ۱ به ۲ مقایسه کن؛ محاسبه فرآورده باید از واکنشدهنده محدودکننده انجام شود. در پرسش مفهومی نیز تغییر عدد اکسایش را پیش از نامگذاری اکسنده و کاهنده بنویس و گرمادهبودن را با انرژی فعالسازی اشتباه نگیر.
- ضرایب مولی Fe₂O₃، Al و Fe بهترتیب ۱، ۲ و ۲ است
- Al اکسیدشونده و عامل کاهنده است
- Fe³⁺ کاهشیابنده و Fe₂O₃ عامل اکسنده است
- جرم فرآورده را از واکنشدهنده محدودکننده حساب کن
- پایستگی جرم راه خوبی برای کنترل محاسبه است
- ترمیت را فقط بهصورت نظری و در محیط آموزشی امن بررسی کن
برای تحلیل واکنش ترمیت، معادله Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe را نقطه شروع قرار بده. آلومینیم از عدد اکسایش صفر به ۳+ میرود، پس اکسید و عامل کاهنده است؛ آهن از ۳+ به صفر میرسد، پس کاهش مییابد و Fe₂O₃ عامل اکسنده است. دو مول Al و یک مول Fe₂O₃ شش الکترون مبادله میکنند. تشکیل آلومینیم اکسید پایدار واکنش را بسیار گرماده میکند، اما سد انرژی فعالسازی مانع آغاز آسان آن در دمای اتاق است. در محاسبات، جرم هر ماده را به مول تبدیل کن، نسبت ۱ به ۲ را برای یافتن واکنشدهنده محدودکننده به کار ببر و جرم آهن را از همان ماده حساب کن. به دلیل دما و مواد مذاب، این واکنش موضوعی برای تحلیل نظری است و نباید بهصورت خانگی اجرا شود.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.