Experiments with Thermite - Chemistry and Chemists № 2 2025

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Combustion of Thermite: Calcium Sulfate/Aluminum (CaSO₄/Al) - Part 22
Горение термита: сульфат кальция/алюминий (CaSO₄/Al) - часть 22

The most common oxidizer in thermite mixtures is iron oxide, a cheap and readily available substance. You can also use oxides of manganese, lead, nickel, copper, chromium, and some other metals. Even a thermite containing titanium oxide (TiO₂) has been described. In addition to metal oxides, other oxidizers are sometimes included in thermites, such as sodium, potassium, strontium, and barium nitrates. Chromates, dichromates, chlorates, and perchlorates can also serve this purpose.

However, reality is sometimes stranger than our wildest fantasies. While reviewing thermite compositions, I came across the following (% by weight):

1. Al - 40.9, CaSO₄ - 57.8, S - 1.0, castor oil - 0.3
2. Fe_xO_y - 59.2, Al - 25.3, BaSO₄ - 15.3

In the first case, calcium sulfate acts as the oxidizer; in the second, barium sulfate serves as the oxidizer in combination with iron oxides.

Calcium sulfate is a poorly soluble calcium salt used in construction, medicine, agriculture, and many other fields. When thinking of calcium sulfate, I usually imagine gypsum sculptures, gypsum stalactites in caves, building materials based on it, and even food additives. Sulfuric acid can also be produced from calcium sulfate, though this is not the most efficient method. However, I had never thought of sulfate as an oxidizer. I could recall only one example of such a reaction: calcium sulfate turning into sulfide when heated with carbon. Barium sulfate reacts similarly.

Calcium sulfate precipitates from aqueous solutions as a dihydrate (CaSO₄·2H₂O), which occurs naturally as the mineral gypsum. When heated, gypsum loses water, becoming first the hemihydrate (CaSO₄·0.5H₂O), then anhydrous calcium sulfate. The hemihydrate is widely used in construction, architecture, and medicine. When water is added and stirred, it reverts to gypsum (CaSO₄·2H₂O), hardening into a solid mass.

In the laboratory, I had some hemihydrate calcium sulfate, sold in our country as "alabaster" (also known as gypsum plaster or plaster of Paris). I decided to dehydrate it to prepare thermite. According to the literature, when calcium sulfate hydrates are heated above 250°C, anhydrous salt forms, which does not reabsorb moisture upon cooling. This is important for thermite, since water in the mixture can lead to splashing during the reaction.

I poured the hemihydrate into a porcelain dish and placed it in a drying cabinet. I didn't dare to heat the cabinet to 250°C, fearing damage to the equipment, so I set the temperature to 230°C and heated for 2 hours.

Next, I used the first thermite recipe, excluding sulfur and castor oil. I weighed 19.84 g of aluminum with 28.04 g of calcium sulfate (all the anhydrous salt obtained). I thoroughly mixed the powders in an iron mortar and poured them into a mound on a sheet of paper. The paper was placed in an iron tray filled with dry sand. I made a small depression at the top of the mound for the incendiary mixture.

The thermite was a light gray powder, which was quite unusual. Not only the appearance, but also the composition was unconventional. I wasn't sure this thermite would ignite, so I decided to use double the usual amount of incendiary mixture. I combined 2 g of finely divided aluminum with 5.5 g of iron oxide (Fe₃O₄) and poured the mix into the depression.

I aimed a burner flame at the incendiary mixture. Sparks rained down. After a few seconds, the mixture flared up, igniting the thermite. A huge, blindingly white flash occurred. Sparks flew in all directions with a furious hiss. On video, the flame appears yellow, but to the naked eye, it was dazzling white. The flash lasted about ten seconds, leaving behind a depression filled with a molten mass that slowly cooled. A large amount of acrid smoke was released, with a strong sulfur dioxide smell.

The combustion resembled images and videos of the Sun's surface taken through powerful telescopes. Of course, the thermite's temperature was far lower than the Sun's surface temperature (about 5500°C), but the Sun is 151.4 million kilometers away&edash;while the thermite was burning just a meter from me.

The reaction produced a dark gray mass, part of which dispersed throughout the fume hood as fine particles. One of the products was calcium sulfide; aluminum sulfide was probably formed as well. Both compounds release hydrogen sulfide when exposed to atmospheric moisture, so I carefully collected the solid combustion products and sealed them in a jar.

Photos/Video

Горение термита: сульфат кальция/алюминий (CaSO₄/Al) - часть 22

Самым распространенным окислителем в термитных смесях является оксид железа - дешевое и доступное вещество. Можно также использовать оксиды марганца, свинца, никеля, меди, хрома и некоторых других металлов. Описан даже термит, в состав которого входит оксид титана TiO₂. Наряду с оксидами металлов в термиты иногда добавляют и другие окислители, например, нитраты натрия, калия, стронция и бария. Для этой цели можно также использовать хроматы, бихроматы, хлораты и перхлораты.

Однако реальность невероятнее, чем самые смелые наши фантазии. Просматривая составы термитов, я нашел следующие (% wt.):

1. Al - 40.9, CaSO₄ - 57.8, S - 1.0, castor oil - 0.3.
2. Fe_xO_y - 59.2%, Al - 25.3, BaSO₄ - 15.3.

В первом случае в роли окислителя выступает сульфат кальция, во втором случае - сульфат бария в комбинации с оксидами железа.

Сульфат кальция - малорастворимая соль кальция, которая применяется в строительстве, медицине, сельском хозяйстве и ряде других областей. Думая о сульфате кальция, я представлял гипсовые скульптуры, гипсовые сталактиты в пещерах, строительные материалы на его основе и даже пищевые добавки. Также из сульфата кальция можно производить серную кислоту, хотя это и не лучший метод. Однако я в последнюю очередь думал о сульфате как об окислителе. Помнил только один пример подобной реакции - сульфат кальция при нагревании с углеродом переходит в сульфид. Аналогично реагирует с углеродом сульфат бария.

Из водных растворов сульфат кальция осаждается в виде дигидрата CaSO₄·2H₂O, который распространен в природе в виде минерала гипс. При нагревании гипс теряет воду, превращаясь сначала в полугидрат CaSO₄·0.5H₂O, а затем в безводный сульфат кальция. Полугидрат используется в строительстве, архитектуре и медицине. При добавлении воды и перемешивании CaSO₄·0.5H₂O переходит в гипс (CaSO₄·2H₂O), превращаясь в сплошную твердую массу.

В лаборатории был полугидрат сульфата кальция, который продается у нас под названием "алебастр" (gypsum plaster, plaster of Paris). Я решил его обезводить, чтобы приготовить из сульфата кальция термит. В литературе нашел, что при нагревании гидратов сульфата кальция выше температуры 250°С образуется безводная соль, которая не присоединяет потерянную воду после охлаждения. Для термита это важно, поскольку наличие воды в составе термита может привести к разбрызгиванию реакционной смеси.

Насыпал алебастр в фарфоровую тарелку, поместил ее в сушильный шкаф. Нагревать сушильный шкаф до 250°С не решился, опасаясь, что оборудование может выйти из строя. Установил температуру 230°С, время нагревания - 2 часа.

Далее, воспользовался первой рецептурой термита, исключив серу и касторовое масло. Взвесил 19.84 г алюминия и 28.04 г сульфата кальция. (Я использовал весь безводный сульфат кальция, который был получен при нагревании полугидрата). Вещества тщательно смешал в железной ступке и высыпал горкой на лист бумаги. Бумагу поместил в железный лоток, наполненный сухим песком. На вершине горки сделал углубление для зажигательной смеси.

Термит представлял собой светло-серый порошок, что было очень непривычно. Не только внешний вид, но и состав термита был необычным. Я был неуверен, что такой термит загорится, поэтому решил использовать двойное количество зажигательной смеси. Смешал 2 г мелкодисперсного алюминия и 5.5 г оксида железа Fe₃O₄. Засыпал смесь в углубление горки.

Направил пламя горелки на зажигательную смесь. Посыпались искры. Зажигательная смесь через несколько секунд вспыхнула, воспламенив термит. Произошла огромная, ослепительно-белая вспышка. С яростным шипением искры полетели во все стороны. На видео цвет пламени выглядит желтым, но при непосредственном наблюдении пламя выглядело белым и слепило глаза. Вспышка длилась около десяти секунд, оставив углубление, заполненное расплавленной массой, которая постепенно остывала. Образовалось много едкого дыма, который пах диоксидом серы.

Горение смеси напомнило фото и видео поверхности Солнца, снятые с помощью мощных телескопов. Разумеется, температура горящего термита была намного ниже, температура поверхности Солнца (около 5500°С), однако Солнце находится в 151.4 млн. километров от Земли, а термит горел в метре от меня.

В результате реакции образовалась темно-серая масса, часть которой рассеялась в виде мелких частиц по всей вытяжке. Один из продуктов горения данного термита - сульфид кальция. Вероятно, также образовался сульфид алюминия. Оба эти сульфида выделяют сероводород при взаимодействии с влагой воздуха, поэтому я тщательно собрал твердые продукты горения в герметичную банку.

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Combustion of Thermite: Calcium Sulfate/Aluminum (CaSO₄/Al) - Part 23
Горение термита: сульфат кальция/алюминий (CaSO₄/Al) - часть 23

In this experiment, I increased the amounts of aluminum and anhydrous calcium sulfate, mixing 42.5 g of Al with 60.0 g of CaSO₄. The aluminum particle size was 100-140 microns. I poured the mixture into a cut aluminum beer can, which I placed in an iron tray filled with dry sand.

Based on the previous experiment, I was almost certain that this thermite mixture would ignite from a burner flame without the need for an incendiary composition. Therefore, I directed a strong gas burner flame at the top of the thermite mound. The mixture heated to a red glow, then to a yellow glow, but did not ignite. Conclusion: an incendiary mixture is necessary.

After the mixture cooled, I made a depression in the thermite and placed an incendiary composition in it, prepared from 2 g of finely dispersed aluminum and 5.5 g of iron oxide (Fe₃O₄). I directed the burner flame at the composition.

Sparks flew, small flashes were observed, and finally the incendiary mixture ignited. This was followed by a powerful, blinding white flash. Sparks shot in all directions with a hiss. Vigorous combustion continued for about 15 seconds, leaving behind a "lake" of molten material. A little later, a series of small but bright flashes occurred—the remaining mixture was burning out. As in the previous experiment, the combustion appeared yellow on video, but when observed directly, it was blindingly white. The combustion produced a large amount of acrid smoke with a strong sulfur dioxide odor.

The polyethylene film with a printed image, which was glued to the wall of the fume hood, was severely damaged. In earlier experiments, many holes had already been burned into it by sparks. This time, a large hole burned through the film, making the image look very unaesthetic, so it had to be removed.

Once the flashes ceased, a lake of molten residue remained, which gradually solidified into a gray solid mass. A significant portion of the solidified melt was scattered as small particles over the surface of the sand and around the fume hood.

I collected as much of the solid reaction product as possible in a sealed jar, since it releases hydrogen sulfide upon exposure to air. Despite cleaning the fume hood, the lab continued to smell of hydrogen sulfide. The best solution would have been to replace the sulfide-contaminated sand in the tray with fresh dry sand, but none was available at the time. Therefore, I dissolved iron(III) chloride in water and poured the solution over the sand. Iron chloride reacts with hydrogen sulfide and soluble sulfides, converting them into insoluble iron sulfide. This measure helped only partially—the lab retained the odor of hydrogen sulfide for several days.

Photos/Video

Горение термита: сульфат кальция/алюминий (CaSO₄/Al) - часть 23

В данном эксперименте увеличил количество алюминия и безводного сульфата кальция, смешав 42.5 г Al и 60.0 г CaSO₄. Размер частиц алюминия был 100-140 микрон. Насыпал смесь в срезанную алюминиевую пивную банку, которую поместил в железный лоток, наполненный сухим песком.

После прошлого эксперимента я был почти уверен, что данный термит загорится от пламени горелки без использования зажигательной смеси. Следовательно, направил сильное пламя газовой горелки на верх горки термита. Смесь раскалилась до красного свечения, затем - до желтого свечения, но не загорелась. Вывод: необходима зажигательная смесь.

После охлаждения сделал в термите углубление, куда поместил зажигательную смесь, приготовленную из 2 г мелкодисперсного алюминия и 5.5 г оксида железа Fe₃O₄. Направил пламя горелки на смесь.

Полетели искры, наблюдались небольшие вспышки, наконец, зажигательная смесь загорелась. Потом произошла мощная, ослепительная белая вспышка. Искры с шипением полетели во все стороны. Бурное горение продолжалось около 15 секунд, оставив после себя "озеро" расплава. Чуть позже произошла серия небольших, но ярких вспышек - догорали остатки смеси. Как и в прошлый раз, горение термита на видео кажется желтым, а при непосредственном наблюдении оно выглядело ослепительно-белым. В результате горения термита образовалось много едкого дыма, пахнущего диоксидом серы.

Полиэтиленовая пленка с напечатанной на ней картиной, приклеенная к стене вытяжного шкафа, сильно пострадала. Во время прошлых экспериментов в ней образовались многочисленные отверстия от попадания искр. В этот раз в пленке прогорела большая дыра, поэтому ее пришлось снять, поскольку картина теперь выглядела весьма не эстетично.

После прекращения вспышек осталось озеро расплава, которое постепенно застывало в твердую серую массу. Значительная часть застывшего расплава была рассеяна в виде мелких частиц по поверхности песка и вытяжного шкафа.

Максимально собрал твердые продукты реакции в закрытую банку, поскольку на воздухе они выделяют сероводород. Несмотря на уборку вытяжного шкафа, в лаборатории пахло сероводородом. Лучшим решением было бы заменить загрязненный сульфидами песок в лотке чистым, но сухого песка под рукой не оказалось. Поэтому растворил хлорид железа (III) в воде и полил раствором песок. Хлорид железа реагирует с сероводородом и растворимыми сульфидами, переводя их в нерастворимый сульфид железа. Это помогло лишь частично - в лаборатории еще несколько дней пахло сероводородом.