Briquette Made of Thermite: Iron(II, III) Oxide/Aluminum (Failed Experiment) - Part 19
Брикет из термита: оксид железа (II, III)/алюминий (неудачный эксперимент) - часть 19

In some experiments, I used heat-resistant containers (tin cans and clay pots) for thermite combustion; in others, the thermite was placed inside a shell that easily burned during the reaction (such as a paper bag, aluminum foil, or an aluminum can). An idea arose to try this experiment without using containers or shells at all, by pressing the thermite into a cylindrical briquette. This required a mechanical press (for example, a hydraulic one), which the lab did not have.

I decided to try a simple, though not entirely reliable, method. I cut a rectangular sheet from a beer can, rolled it into a cylinder about 2.5 cm in diameter, and tightly wrapped it with tape. I also sealed the bottom hole with tape. My plan was to pour small portions of thermite into the cylinder, compress them using blows from an iron rod, add more thermite, compress again, and so on. Finally, I would cut the tape, unroll the aluminum sheet, and remove the compressed briquette.

To improve the mechanical properties of the powders and make pressing easier, a binder is often added. According to the literature, small amounts of castor oil, mineral oil, drying oil, acrylic polymers, rubber, or similar additives can be used in thermites. I decided to use a small amount of polystyrene dissolved in acetone for this purpose.

I prepared a mixture of 10 g of aluminum powder (100-140 microns) and 27.5 g of iron oxide (Fe₃O₄), and added a few drops of polystyrene solution (made from foam plastic) in acetone. The solution turned out to be too thick and formed lumps. After mixing, I pressed the thermite into a cylinder as described above. I placed it in a thermostat to remove the solvent. After drying, it turned out that the briquette was not mechanically strong&edash;it crumbled when squeezed in the palm of my hand.

I crushed the thermite, added 2 g of petroleum jelly (Vaseline), and pressed the powder into a briquette again. The new briquette was also fragile. Some sources recommended using liquid glass (an aqueous solution of sodium silicate) as a binder for thermite in amounts of a few percent. However, I assumed such thermite would be difficult to ignite, so I abandoned the idea of using thermite without a casing.

I crushed the thermite once more and pressed it into a polypropylene test tube, hoping that the polypropylene would easily burn during the thermite reaction. On top of the pressed thermite, I poured an incendiary mixture consisting of 1 g of fine aluminum and 2.75 g of iron oxide (Fe₃O₄).

I directed a strong burner flame at the incendiary mixture. The thermite ignited, producing a fountain of flame and sparks. However, after a few seconds, the combustion of the thermite was replaced by the combustion of the polypropylene&edash;the thermite went out. Further attempts to ignite the thermite directly with a strong burner flame were unsuccessful (an incendiary mixture was required). This reminded me of a popular video about thermite, where a strong burner flame was directed into a bucket of thermite. Even though the surface heated to 800°C, the mixture did not ignite.

Thus, the excess of organic binders and the polypropylene shell caused the burning thermite to go out, and it could not be ignited with a burner alone. The energy of the thermite was consumed by melting and decomposing the organic materials, and as a result, the heat released was not sufficient to sustain the thermite reaction.

I noticed that some thermite mixtures containing organic binders also included additional oxidizers, such as sodium, potassium, strontium, or barium nitrates. These oxidizers react with the organic substances, releasing extra energy. I decided not to explore this topic further.

Photos/Video

Брикет из термита: оксид железа (II, III)/алюминий (неудачный эксперимент) - часть 19

В одних экспериментов я использовал для горения термита термостойкие сосуды (жестяные банки и глиняные горшки), в других экспериментах термит находился внутри оболочки, которая легко сгорала в процессе реакции (бумажный пакетик, алюминиевая фольга или алюминиевая банка). Возникла идея обойтись без сосудов или оболочек вообще, спрессовав термит в виде брикета цилиндрической формы. Для этого был необходим механический пресс (например, гидравлический), которого в лаборатории не было.

Решил использовать простой, хотя и не совсем надежный прием. Вырезал из пивной банки прямоугольный лист, скрутил его в цилиндр диаметром примерно 2.5 см, плотно обмотал скотчем. Нижнее отверстие также запечатал скотчем. Далее я планировал засыпать в цилиндр небольшие порции термита, прессовать их ударами железного прута, засыпать новые порции, опять прессовать и т.д. В конце было необходимо разрезать скотч, размотать алюминиевый лист и извлечь спрессованный брикет.

Для улучшения механических свойств порошков и облегчения их прессования к порошкам добавляют связующее. Посмотрел литературу, оказалось, что в термиты вводят небольшое количество касторового масла, минерального масла, олифы, акриловых полимеров, каучука или аналогичных добавок. Решил использовать для этой цели небольшое количество раствора полистирола в ацетоне.

Приготовил смесь 10 г алюминиевого порошка (100-140 микрон) и 27.5 г оксида железа Fe₃O₄, добавил несколько капель раствора полистирола (пенопласт) в ацетоне. Раствор оказался слишком густым и образовывал комки. После перемешивания спрессовал термит в цилиндр, как описано выше. Поставил сушиться в термостат для удаления растворителя. После сушки оказалось, что брикет непрочный - он разрушился от сжимания в ладони.

Измельчил термит, добавил 2 г вазелина и снова спрессовал порошок в брикет. Новый брикет также оказался непрочным. В некоторых источниках рекомендовали использовать в качестве связующего для термита жидкое стекло (водный раствор силиката натрия) в количестве нескольких процентов. Однако я опасался, что такой термит будет трудно зажечь, поэтому отказался от идеи использовать термит без корпуса.

Опять измельчил термит и запрессовал его в полипропиленовую пробирку, рассчитывая, что в ходе горения термита полипропилен легко сгорит. Сверху прессованного термита насыпал зажигательную смесь из 1 г мелкодисперсного алюминия и 2.75 г оксида железа Fe₃O₄.

Направил сильное пламя горелки на зажигательную смесь. Термит загорелся, образовался фонтан пламени и искр. Однако через несколько секунд горение термита перешло в горение полипропилена - термит погас. Попытки зажечь термит сильным пламенем горелки не дали результата (необходима была зажигательная смесь). Это напоминало популярный фильм про термит, в котором сильное пламя горелки направили в ведро с термитом, поверхность которого нагрелась до 800?С, но смесь не загорелась.

Таким образом, избыток органических связующих и полипропиленовая оболочка привели к тому, что горящий термит погас, и его не удалось зажечь горелкой. Энергия термита расходовалась на плавление и разложение органических веществ, в результате, выделяющегося тепла оказалось недостаточно для поддержания реакции горения термита.

Обратил внимание, что в термиты, в которых использовалось органическое связующее, добавляли дополнительные окислители, например, нитраты натрия, калия, стронция или бария. Данные окислители реагируют с органическими веществами, выделяя дополнительную энергию. Решил далее в эту тему не углубляться.

Iron Oxide from Air (for Thermite) - Part 20
Оксид железа из воздуха (для термита) - часть 20

Initially, I bought two 800-gram jars of iron oxide, Fe₃O₄. More precisely, the substance is called "black iron oxide pigment". This is a pigment based on iron(II, III) oxide. It is attracted to a magnet and dissolves almost completely in hydrochloric acid. As it turned out, the pigment is quite suitable for preparing thermite instead of using chemically pure iron oxide. During my experiments, I completely "burned" through one jar, and the second was nearly finished. To continue the experiments, I needed to go to the supermarket to buy more iron oxide. However, I didn't have time, as I was busy cleaning the laboratory and sorting through the remaining stocks of reagents and labware left behind by my predecessors. Most of these items were illiquid and of little value. Unexpectedly, I discovered a jar labeled "black iron oxide pigment". I showed it to a colleague, who remarked that it was… soot. Indeed, compared to the pigment I had used earlier for thermite, this one appeared even blacker.

I held a ferrite magnet against the side of the jar—it was attracted. This suggested the pigment was indeed iron(II, III) oxide, not soot. A little later, I read the composition printed in very small text on the label: "iron oxide pigment filled with technical carbon (soot)". This meant the pigment in this jar contained an additive—soot—to give the iron oxide a deeper black color. The jars I had previously used for thermite were labeled simply "iron oxide pigment", without any additives such as soot. The exact amount of soot is unknown, but it's likely just a few percent. The original pigment, even without soot, is black with a barely noticeable brown tint. It doesn't take much soot to eliminate that tint.

I could have dissolved a sample of the pigment in hydrochloric acid, filtered it, and weighed the remaining solid to determine the exact content of insoluble impurities, with soot being the primary one. However, I have not yet performed this chemical analysis, as I decided to use this pigment to prepare an incendiary mixture for thermite. I assume that soot will not pose a problem for making thermite mixtures. In any case, a small amount of potassium or sodium nitrate can be added to the iron oxide, as these compounds react vigorously with carbon when heated.

Although the jar of iron oxide was not literally "obtained from thin air," as the title jokingly suggests, this unexpected gift from my predecessors turned out to be very useful. Now I can continue my thermite experiments without worrying about running out of one of the key components.

Photos/Video

Оксид железа из воздуха (для термита) - часть 20

Первоначально я купил две 800 г банки с оксидом железа, Fe₃O₄. Точнее, субстанция называется "Пигмент железооксидный черный". Это пигмент на основе оксида железа (II, III). Он притягивается магнитом и растворяется в соляной кислоте почти без остатка. Как оказалось, пигмент вполне подходит вместо химически чистого оксида железа для приготовления термита. В ходе экспериментов я полностью "сжег" одну банку, а вторая подходила к концу.

Для продолжения экспериментов было необходимо съездить в супермаркет, чтобы купить еще оксида железа, но на это не было времени, поскольку я занялся уборкой в лаборатории, разбирая запасы реактивов и посуды, которые остались от предшественников. Большинство из этих вещей были неликвидами и не представляли ценности. Неожиданно я нашел банку с этикеткой "Пигмент железооксидный черный". Показал коллеге, коллега отметил, что это... сажа. Действительно, по сравнению с пигментом, который я использовал для приготовления термитов, найденный пигмент имел более черный цвет.

Прислонил к стенкам банки ферритный магнит - магнит притянулся. Значит, пигмент - оксид железа (II, III), а не сажа. Чуть позже прочитал состав пигмента, указанный на этикетке очень мелким шрифтом: "Пигмент железооксидный, наполненный техническим углеродом (сажей)". Значит, пигмент из этой банки содержит добавку сажи для придания оксиду железа более насыщенного черного цвета. На банках с пигментом, которые я использовал для приготовления термита ранее, был указан состав: "Пигмент железооксидный" - без добавки других компонентов вроде сажи. Количество сажи неизвестно; вероятно, оно составляет несколько процентов. Исходный пигмент и без добавки сажи имеет черный цвет с почти незаметным коричневым оттенком. Для устранения коричневого оттенка много сажи не требуется.

Можно было растворить навеску пигмента в соляной кислоте, а твердый остаток отфильтровать и взвесить, определив точное содержание нерастворимых примесей, главной из которых является сажа. Однако, делать химический анализ я пока не стал, решив использовать данный пигмент для приготовления зажигательной смеси для термита. Думаю, что сажа не будет проблемой для приготовления термитных смесей. В крайнем случае, к оксиду железа можно добавить небольшое количество нитратов калия или натрия, которые бурно реагируют с углеродом при нагревании.

Хотя банка с оксидом железа не была "получена из воздуха", как шутливо указано в заглавии, но этот подарок от предшественников оказался очень кстати - теперь я могу продолжить эксперименты с термитом, не опасаясь, что закончится один из основных компонентов.

Combustion of Thermite: Iron(II, III) Oxide/Aluminum (Fe₃O₄/Al) - Part 21
Горение термита: оксид железа (II, III)/алюминий (Al/Fe₃O₄) - часть 21

I prepared a mixture of 100 g of aluminum and 275 g of iron oxide (Fe₃O₄). The aluminum particles were 100-140 microns in size. I carefully pressed the mixture into an aluminum beer can using a hammer. On top, I poured an incendiary mixture consisting of 1 g of finely dispersed aluminum and 2.75 g of iron oxide.

This experiment was almost identical to the previous thermite experiment described in Part 18. However, I made a few small changes.

First, I did not add sulfur to the thermite.

Second, I used iron oxide with added soot to prepare the incendiary mixture. I had recently found a can of this oxide (see Part 20 of the article), and I wanted to test whether the addition of soot interferes with the combustion of the iron oxide-aluminum mixture. If the soot had posed a problem, the incendiary mixture could easily have been replaced with one based on high-quality iron oxide.

Finally, this time I placed the smartphone closer, accepting the risk of it being damaged by the burning thermite.

I aimed the burner flame at the incendiary mixture. It flared up, then the thermite ignited. The flame was bright and extremely hot. Sparks flew in all directions, and a lot of gray smoke was produced. The sight of the furious burning was frightening. Watching the thermite reaction, I realized that if I had conducted this experiment in a lab, the flame would certainly have gotten out of control.

The combustion lasted about 10 seconds, leaving behind a "lake" of molten iron and aluminum oxide. A colleague motioned for me to pick up the camera and film the melt from close range—so I did.

As I approached the yellow-hot mass, I felt intense heat. At that moment, I thought: "Will the infrared radiation damage the smartphone?" The heat and smoke made me feel dizzy. The smoke interfered with the camera's ability to focus, but I continued filming.

A few seconds later, I discovered… that the camera was off. When I took it off the tripod, I had accidentally pressed the stop recording button. This had happened during one of the previous experiments—interesting footage was lost. This time, however, the reaction products cooled slowly, so the lost shots were not critical.

I turned the camera back on and filmed the molten "lake," which gradually cooled and solidified. A little later, I turned it over with a stick—the solidified reaction products had formed an ingot shaped like a one-sided convex lens. The sand beneath this "lens" glowed red. I asked a colleague to press the "lens" with a stick to squeeze any remaining melt from its core. However, by this time, the entire mass had solidified. During the cooling process, it cracked. Sharp, hot fragments, dangerous to the eyes, flew off. I did not remove my protective mask the entire time.

Photos/Video

Горение термита: оксид железа (II, III)/алюминий (Al/Fe₃O₄) - часть 21

Приготовил смесь 100 г алюминия и 275 г оксида железа (Fe₃O₄). Частицы алюминия имели размер 100-140 микрон. Смесь тщательно запрессовал молотком в алюминиевую пивную банку. Сверху насыпал зажигательную смесь из 1 г мелкодисперсного алюминия и 2.75 г оксида железа.

Данный эксперимент был почти идентичен позапрошлому эксперименту с термитом (см. часть 18). Однако, я внес несколько небольших изменений.

Во-первых, не добавлял в термит серу.

Во-вторых, для приготовления зажигательной смеси использовал оксид железа с добавкой сажи. Банку с этим оксидом я недавно нашел (см. предыдущую часть статьи), следовательно, хотел испытать, не мешает ли добавка сажи горению смеси оксида железа с алюминием. Если бы сажа мешала, зажигательную смесь можно было легко заменить, использовав вместо нее смесь на основе качественного оксида железа.

Наконец, в этот раз смартфон я установил ближе, смирившись с риском его повреждения горящим термитом.

Направил пламя горелки на зажигательную смесь. Смесь вспыхнула, потом загорелся термит. Пламя было ярким и очень горячим. Во все стороны летели искры, образовалось много серого дыма. Картина яростного горения была пугающей. Наблюдая за горением термита, я осознал: если бы я провел этот эксперимент в лаборатории, пламя гарантированно вышло бы из-под контроля.

Горение длилось около 10 секунд, оставив после себя "озеро" расплавленных железа и оксида алюминия. Коллега показал жестом, чтобы я взял камеру в руки и снял расплав с близкого расстояния. Так я и сделал.

Оказавшись возле раскаленной массы, я ощутил сильное тепло. В этот момент подумал: "Не повредит ли инфракрасное излучение смартфон?" От тепла и дыма закружилась голова. Дым мешал сфокусировать видео, но я продолжал снимать.

Еще через несколько секунд обнаружил... что камера выключена. В момент, когда брал камеру со штатива, я случайно нажал кнопку выключения съемки видео. Такое уже случалось в одном из прошлых экспериментов - тогда были потеряны интересные кадры. В этот раз продукты реакции остывали медленно, поэтому потерянные кадры не были критичными.

Снова включил камеру и снимал озеро расплава, которое постепенно остывало и затвердевало. Чуть позже перевернул его палкой - застывшие продукты реакции образовали слиток в форме односторонней выпуклой линзы. Песок под этой "линзой" светился красным. Попросил коллегу надавить палкой на "линзу", чтобы выдавить расплав из ее недр. Однако к этому времени весь расплав затвердел. В процессе охлаждения масса растрескивалась, от нее отлетали острые, горячие куски, опасные для глаз. Все время я не снимал защитную маску.

Download the Video (176 Mb, .avi )

[ Compositions with Aluminum, Termites and Aluminothermy ]

Termites and Aluminothermy - Discussion on the forum
Iron, its Compounds and Alloys - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]