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[[Datei:ThermiteFe2O3.JPG|mini|Thermitreaktion mit Fe2O3]]
[[Datei:Thermite skillet.jpg|mini|Thermit zerstört eine gusseiserne Pfanne]]
[[Datei:Utah-thermite.jpg|mini|Gefahr durch unkontrolliert umherspritzendes heißes Metall]]
[[Datei:Aluminothermische Reaktion Schema.png|mini|Schema eines Laboraufbaus der Aluminothermischen Reaktion.(1) Fließmittel (2) Reaktionsmischung (Thermitgemisch) (3) Zündkirsche (4) Lunte]]
[[Datei:Bundesarchiv Bild 183-1990-0426-001, Eisenbahnbau Eichenberg-Arenshausen.jpg|mini|Vorbereitung zum Verschweißen eines [[Schienenstoß]]es (Einformen)]]
[[Datei:Velp-thermitewelding-1.jpg|mini|Thermit-Reaktion im Tiegel über einer Bahnschiene]]
[[Datei:Geschweisster schienenstoss.jpeg|mini|Aluminothermisch geschweißter [[Schienenstoß]], verschliffen]]

Die '''Thermitreaktion''' ist eine [[Redoxreaktion]], bei der [[Aluminium]] als [[Reduktionsmittel]] benutzt wird, um [[Eisen(III)-oxid]] zu Eisen zu [[Reduktion (Chemie)|reduzieren]]. Das verwendete Gemisch aus Aluminiumgrieß und Eisenoxidpulver hat den Markennamen [[Thermit]]. Die Reaktion läuft sehr stark [[Exotherme Reaktion|exotherm]] ab, also unter starker Wärmeentwicklung. Die Reaktionsprodukte sind [[Aluminiumoxid]] und elementares Eisen in glühend-flüssigem Zustand, wobei das Aluminiumoxid auf dem Eisen schwimmt. Die Reaktion erfolgt beispielsweise in einem [[Tiegel (Gefäß)|Tontiegel]], als [[Zündmittel]] wird [[Bariumperoxid]] mit [[Magnesium]] an einem Thermitanzünder ähnlich einer [[Wunderkerze]] benutzt.

== Reaktionsablauf ==
Die exotherme chemische Reaktion zwischen Eisenoxid und Aluminium, die umgangssprachlich Umsetzung genannt wird, liefert bei einer Temperatur von ca. 2400 °C flüssiges, kohlenstoffarmes Eisen und flüssige Aluminium-Schlacke ([[Aluminiumoxid]], [[Korund]]):<ref name="AluStir">Stephan Kallee: [https://www.alustir.com/deutsch/thermitschwei%C3%9Fen/ ''Thermitschweißen – Aluminothermisches Schweißen von Eisenbahnschienen.'']</ref><ref name="Gleisbau-Welt">Gleisbau-Welt: [https://www.gleisbau-welt.de/lexikon/gleisbau-und-instandhaltung/maschineller-gleisbau/schweisstechnologie/alu-thermit-schweissen/ ''Alu-Thermit Schweißen.'']</ref>

:<math>\mathrm{Fe_2O_3 + 2 \ Al \longrightarrow 2 \ Fe + Al_2O_3; \Delta H = {-}851{,}5 \ \frac{kJ}{mol}}</math>

Bei der Bildung von Al2O3 aus den Elementen werden 1675,7 kJ/mol frei, und bei der Bildung von Fe2O3 aus den Elementen werden 824,2 kJ/mol frei:<ref name="Atkins">Peter W. Atkins und Julio de Paula, übersetzt von Michael Bär: [https://www.wiley-vch.de/de?option=com_eshop&view=product&isbn=3-527-33247-2 ''Physikalische Chemie''] 5. Auflage März 2013, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN 978-3-527-33247-2.</ref>

:<math>\mathrm{2 \ Al + \frac{3}{2} \ O_2 \longrightarrow Al_2O_3; \Delta H = {-}1675,7 \ \frac {kJ}{mol}}</math>
:<math>\mathrm{2 \ Fe + \frac{3}{2} \ O_2 \longrightarrow Fe_2O_3; \Delta H = {-}824,2 \ \frac {kJ}{mol}}</math>

Für die Bildung des Al2O3 aus dem Fe2O3 muss dieses erst zerlegt werden, und dazu sind 824,2 kJ/mol aufzuwenden. Bei der Bildung des
Al2O3 werden daher in diesem Fall insgesamt nur 1675,7 – 824,2 = 851,5 kJ/mol freigesetzt.<ref name="Atkins" />

Eine der Herausforderungen beim Thermit-Schweißen ist die Heftigkeit der Reaktion. Um zu vermeiden, dass sie so lebhaft ist, dass der Inhalt des Tiegels überkocht und Metall und Schlacke gleichermaßen verloren gehen, wird oft nicht-magnetisches [[Hämatit]] durch magnetisches [[Magnetit]] ersetzt, das aus dem [[Abbrand_(Metallurgie)|Zunder]] von [[Walzwerk]]en gewonnen werden kann:<ref name="Um1910">Stephan Kallee: [https://www.alustir.com/deutsch/thermitschweißen/thermit-prozess-um-1910/ ''Thermit-Prozess um 1910 – Eine der ersten unabhängigen Veröffentlichungen zum aluminothermischen Schweißen in Amerika.'']</ref><ref>Richard N. Hart: [https://archive.org/stream/weldingtheorypra00hart/weldingtheorypra00hart#page/152/mode/1up ''The Thermit Process.''] In: Welding Theory, Practice, Apparatus and Tests. Electric, Thermit and Hot-Flame Processes. McGraw-Hill Book Company, London, 1910, S. 152–153 und 121–158.</ref>

:<math>\mathrm{3 \ Fe_3O_4 + 8 \ Al \longrightarrow 9 \ Fe + 4 \ Al_2O_3}</math>

Nach dem gleichen Verfahren ([[Aluminothermie]]) können außer Eisen und Stahl auch andere Metalle wie [[Kupfer]], [[Nickel]], [[Titan (Element)|Titan]], [[Chrom]] und [[Mangan]] erzeugt oder beigemengt werden, z. B.:
:<math>\mathrm{3 \ Cu_2O + 2 Al \longrightarrow 6 \ Cu + Al_2O_3}</math>
:<math>\mathrm{3 \ NiO + 2 \ Al \longrightarrow 3 \ Ni + Al_2O_3}</math>
:<math>\mathrm{3 \ TiO_2 + 4 \ Al \longrightarrow 3 \ Ti + 2 \ Al_2O_3}</math>

== Geschichte ==
Das Thermitverfahren wurde 1894 von dem deutschen Chemiker [[Hans Goldschmidt (Chemiker)|Hans Goldschmidt]] entwickelt und wird bis heute zum [[Schweißen#Aluminothermisches Schweißen|aluminothermischen Verschweißen]] von Schienenstößen verwendet.

1898 demonstrierte man während der Hauptversammlung der ''Deutschen elektrotechnischen Gesellschaft'' die praktische Bedeutung der Erfindung, indem man während eines Vortrags von Hans Goldschmidt „einen drei Kilo schweren Eisenbolzen weißglühend machte und einen Flansch auf ein Eisenrohr löthete“.<ref>{{ANNO|nwg|11|06|1898|2|Neues aus der Naturkunde}}</ref> Zwei Jahre später führte Hans Goldschmidt sein Verfahren an der [[Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover|TH Hannover]] vor: „Temperaturen von mehr als 3000 Grad nehmen Operationen von 2 bis 3 Minuten in Anspruch. Die Operation verläuft so rasch, daß der Tiegel kalt bleibt und in die Hand genommen werden kann“.<ref name="19000610NFP">{{ANNO|nfp|10|06|1900|6|Hohe Temperaturen durch Aluminium}}</ref>

Bereits im Jahre 1900 wurden in [[Essen]] und Braunschweig die Straßenbahnschienen nach dem Thermitverfahren verschweißt.<ref name="19000610NFP" />

[[Wilhelm Ostwald]] nannte die Thermitreaktion „ein [[Schmiede]]feuer und einen [[Hochofen]] in der Westentasche“.<ref>{{ANNO|bau|||1917|468|Vermischtes. Das Aluminium im Krieg|anno-plus=ja}}</ref>

Hans Goldschmidt betrieb als Gutsbesitzer in Paulinenaue von 1918 bis zu seinem Tod eine Forschungswerkstatt mit Schweißerei und Tischlerei.<ref Name="Aluminothermie">Stephan Kallee: [https://www.alustir.com/deutsch/schienenschwei%C3%9Fen/aluminothermie/ ''Aluminothermie – Aluminothermisches Schweißen von Straßenbahnschienen.'']</ref><ref>Hans Goldschmidt: [https://archive.org/stream/streetrailwayjo221903newy/streetrailwayjo221903newy#page/887/mode/1up ''Alumino-Thermics and Rail Welding.''] Abstract of lecture before the Columbia University Chemical Society, 13 November 1903.</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://paulinenaue.info/index.php/paulinenaue-als-wirtschaftsort/ |titel=Paulinenaue als Wissenschaftsstandort |werk=Paulinenaue |abruf=2019-12-18 |sprache=de-DE}}</ref>

== Sicherheit ==
Aluminothermische Schweißgemische sind keine [[Explosivstoff]]e und lassen sich nur durch eine sehr große Wärmezufuhr ([[Aktivierungsenergie]]) zur Umsetzung (Entzündung) bringen. Die Entzündungstemperatur des für Schweißzwecke verwendeten Zusatzwerkstoffes liegt bei über 1500 °C; diese wird mit einem pyrotechnischen Anzünder erreicht, aber auch ein einfacher Magnesiumstab kann die benötigte Energie und Temperatur liefern. Auch ein Gasbrenner mit [[Propan]] und Sauerstoff eignet sich als Anzünder. Als Sicherheitsmaßnahme werden Thermitschweißmassen und -anzünder getrennt gelagert, damit bei einem Brand eventuell brennende Anzünder nicht in die Schweißmasse fallen.

Die volumen- oder gewichtsmäßig bezogene Energiedichte (spezifische [[Enthalpie]]) von aluminothermischen Schweißmassen ist wesentlich geringer als diejenige von Stoffen, die mit Luftsauerstoff verbrennen ([[Leichtmetalle]], Phosphor, Benzine, Benzol, [[Napalm]] II). Vergleich: Aluminothermische Schweißportionen besitzen ca. ein Viertel der spezifischen Enthalpie von Holz. Dies liegt daran, dass das in diesen Portionen enthaltene Eisenoxid überhaupt keine Energie liefert, sondern erst in metallisches Eisen und Sauerstoffionen zerlegt werden muss, was einen beträchtlichen Energieaufwand erfordert.

Da reagierende aluminothermische Schweißportionen keinen externen [[Sauerstoff]] benötigen, kann die Reaktion nicht erstickt werden und in jeder Umgebung – auch unter Sand oder Wasser – gezündet werden und weiterbrennen.

Löschversuche mit Wasser sowie Feuchtigkeit führen zu einer weiteren Redoxreaktion, in der das Wasser von den unedleren Metallen reduziert wird und so Metalloxid und Wasserstoff entstehen:

:<math>\mathrm{2 \ Al + 3 H_2O \longrightarrow 3 \ H_2 + Al_2O_3}</math>
:<math>\mathrm{2 \ Fe + 3 H_2O \longrightarrow 3 \ H_2 + Fe_2O_3}</math>

Der dabei entstehende Wasserstoff reagiert bei diesen Temperaturen wieder mit Luftsauerstoff zu Wasser, das wiederum mit Aluminium und Eisen reagiert. Die Anwesenheit von Wasser stellt daher eine große Gefahr bei der aluminothermischen Reaktion dar und führt zum explosionsartigen Ausschleudern glutflüssiger Stoffe sowie zu explosionsfähigen Wasserstoff-Sauerstoff-Mischungen ([[Knallgas]]). Aluminothermische Gemische müssen daher trocken gelagert werden. Schweißstellen im Gleisbau werden in der Regel zuvor mit einem Gasbrenner auf über 100 °C erhitzt, um sie zu trocknen.

== Anwendungen ==
Die Anwendungen von aluminothermischen Reaktionen sind vielfältig. Die häufigste Anwendung ist die [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] von [[Eisen(III)-oxid]], wobei Temperaturen von über 2000 °C erreicht werden können:

=== Thermitschweißen im Gleisbau ===
[[Schienenstoß|Schienenstöße]] wurden bei der Straßenbahn in Essen erstmals 1899 mit Thermit verschweißt. Bis in die 1920er Jahre hinein wurde ein weltweites Vertriebs- und Fertigungsnetzwerk aufgebaut. Im Jahr 1928 führte die [[Deutsche Reichsbahn (1920–1945)|Deutsche Reichsbahn]] das Thermitschweißen als Regelschweißverfahren ein. Fast alle weiteren Eisenbahngesellschaften der Welt folgten bis in die Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg.<ref name="ei-2020-3-39">{{Literatur | Autor=Daniel Liebthal | Titel=Schienenschweißen in Perfektion | Sammelwerk=[[Der Eisenbahningenieur]] | Band=71 | Nummer=3| ISSN=0013-2810 | Datum=2020-03 | Seiten=39–42 }}</ref><ref>Johannes Braun, Jörg Keichel und Andreas Peters: [https://www.elektro-thermit.de/fileadmin/et/user_upload/PDF/Publikationen/Aluminothermisches_Schweissen_ZEVrail_10_2015.pdf ''Aluminothermisches Schweißen: Tradition und Innovation im lückenlosen Gleis (Aluminothermic welding: tradition and innovation in continuously welded track).''] In: Infrastruktur Network ZEVrail, Nr. 139, 10. Oktober 2015, S. 382–389.</ref>

An die mit etwa 2 cm Lücke fest ausgerichteten Schienen werden seitlich Gusshalbformen angesetzt, mit Halteblechen angepresst und mit [[Modellsand|Formsandmasse]] abgedichtet. Mit einer Gasflamme werden dann die Schienenenden samt Form getrocknet und vorgewärmt. Der Schmelztiegel (heute oft ein fertig gefüllter Einweg-Blechkübel) mit [[Schamotte]]<nowiki />auskleidung wird genau über dem [[Einguss]] positioniert. Sicherheitshalber wird erst dann ein Zünder, eine Zündkirsche mit Zündschnur oder ein schon angezündetes Zündstäbchen, hinzugefügt. Das Aufsetzen einer Tiegelkappe mit Mittelloch isoliert und schützt vor Spritzern, während sich die Pulvermischung rauchend umsetzt. Früher wurde der Guss manuell ausgelöst, heute in der Regel selbsttätig durch einen schmelzenden Verschlussstopfen. Der flüssige Stahl rinnt dabei in die Form, füllt sie und läuft an Steigkanälen über, wobei die Schienenenden etwas aufgeschmolzen werden. Nach drei Minuten ist die Schweißstelle so weit erstarrt, dass die Form entfernt und die Bearbeitung oben durch Abscheren beginnen kann.<ref>[http://web.archive.org/web/20170325203059/https://www.gleisbau-welt.de/site/schweissen/schweissverfahren.htm Webseite ''Gleisbau-Welt''] (Memento vom 18. März 2004 im Internet Archive), Schweißverfahren, Matthias Müller, Thorsten Schaeffer, 2003–2012, abgerufen am 20. April 2019.</ref><ref name="Gleisbau-Welt" /><ref name="AluStir" /><ref>Lothar Fendrich (Hrsg.): [http://books.google.at/books?id=sITdFWB2mVEC&pg=PA318&lpg=PA318&dq=Widerstands-Abbrennstumpfschweißverfahren+schienen&source=bl&ots=_eczra9rrK&sig=tqn5N__Pk6dygRJmVtgRs0ypsEQ&hl=en&sa=X&ei=1jJKT6jILoO2hQex-vy3Dg&redir_esc=y#v=onepage&q=Widerstands-Abbrennstumpfschweißverfahren%20schienen&f=false ''Handbuch Eisenbahninfrastruktur.''] Band 10, Springer Berlin 2006, ISBN 3-540-29581-X, S. 317–319.</ref> Beim Erkalten wird die Schweißstelle grob geschliffen, das Entfernen der Steiger und der Feinschliff der Fahrfläche erfolgen nach dem Abkühlen. Zusatzstoffe wie [[Vanadium]] machen den Schweißstahl härter als den eigentlichen Schienenstahl.

Das aluminothermische Gießschmelzschweißen (Kürzel: AS) mit Kurzvorwärmung (…-SkV) eines Schienenstoßes hat mehrere Vorzüge: Es erfolgt mit relativ handlichem Gerät und es verbraucht nichts von der Länge etwa schon liegender Schienen, denn es bringt flüssiges Eisen in den Fügespalt ein. Auch ist es an Weichen sehr zweckmäßig. – In Schweißwerken ist allerdings die Alternative [[Abbrennstumpfschweißverfahren|Abbrennstumpfschweißen]] (RA) effizienter.

Das Schweißen von Schienenstößen bewirkt eine stabilere Gleislage, damit reduziert sich der Überwachungs- und Unterhaltungsaufwand. Zusätzlich verringern lückenlos geschweißte Schienen das [[Rad-Schiene-Geräusch]]. Durch das stoßlose Aneinanderschweißen der Schienen ist eine Reduzierung des Schienenverkehrslärms um 6 dB(A) möglich.<ref>Abgeordnetenhaus Berlin: Kleine Anfrage der Abgeordneten Claudia Hämmerling (Bündnis 90/Die Grünen) vom 19. November 2010 und Antwort [http://www.stiftung-naturschutz.de/fileadmin/img/pdf/Kleine_Anfragen/ka16-14932.pdf ''Viel Lärm um nichts am Karower Kreuz und wie sicher ist die Stettiner Bahn?''] (Drucksache 16 / 14 932).</ref>

=== Thermitschweißen als Reparaturschweißverfahren ===
Thermitschweißen wurde mit großem Erfolg als Reparaturschweißverfahren eingesetzt, bis nach dem [[Erster Weltkrieg|Ersten Weltkrieg]] effektivere Schweißverfahren entwickelt wurden.<ref name="Um1910" /><ref>Stephan Kallee: [https://www.alustir.com/deutsch/schienenschwei%C3%9Fen/thermit-in-der-praxis/ ''Thermit in der Praxis – Erste Anwendungen des aluminothermischen Schweißens in den USA bis 1905.'']</ref><ref>Ernest Stütz: [https://archive.org/stream/ironsteelmagazin10sauv/ironsteelmagazin10sauv#page/212/mode/1up ''The Thermit Process in American Practice.''] Vorgetragen bei Meeting der ''American Society for Testing Materials'' im Juni 1905. In: ''The Iron and Steel Magazine,'' September 1905, S. 212–221.</ref>

Heutzutage wird das Aluminothermische Gießschmelzschweißen als Alternative zum klassischen Auftragen mittels Stab- oder Fülldrahtelektrode wieder zur Beseitigung von Schienenfehlern genutzt. Das als Thermit Head Repair (THR) bezeichnete Verfahren kommt unter anderem bei der [[Deutsche Bahn|Deutschen Bahn]] zur Anwendung. Beim THR-Verfahren wird aus dem Schienenkopf eine 75 mm breite und 25 mm tiefe Fuge ausgebrannt und anschließend aluminothermisch vergossen.<ref>{{Internetquelle |autor=n.B. |url=https://www.gt-railservice.com/fileadmin/user_upload/PDF/Schienenverbindung/THR_DE-EN-FR.pdf |titel=THERMIT® HEAD REPAIR |werk=gt-railservice.com |hrsg=ELEKTRO-THERMIT GMBH & CO. KG |datum=2017 |sprache=Deutsch |abruf=2025-07-17}}</ref>

=== Waffen ===
Elektron-Thermitstäbe wurden in Kriegen als [[Stabbrandbombe|Brandbomben]] und [[Brandwaffe|Brandmittel]] verwendet.

In Zusammenarbeit mit der ''Schweizerischen Aluminium Industrie Aktiengesellschaft'' (A.I.A.G.) wurden Ende der 1940er Jahre durch die Schweizerische Armee spezielle Aluminotherm-Verfahren zur Unbrauchbarmachung verschiedenster Waffensysteme entwickelt.

=== Darstellung anderer Elemente ===
Die Redoxreaktion mit Aluminium ([[Aluminothermie]]) kann auch verwendet werden, um andere Metalloxide oder -[[erz]]e, etwa [[Uranlagerstätte|Uranerz]], [[Chrom(III)-oxid]],<ref>{{Patent|Land=US|V-Nr=5092921}}</ref> [[Siliciumdioxid]] oder [[Mangan(II)-oxid|Manganoxid]] zu den jeweiligen Metallen bzw. Halbmetallen zu [[Reduktion (Chemie)|reduzieren]].<ref>{{Patent|Land=US|V-Nr=5152830}}</ref>

=== Vorführungen ===
Wegen der beeindruckenden Reaktion mit Lichteffekten und umher sprühenden Eisentropfen wird Thermit in Schauexperimenten eingesetzt.<ref>[https://lp.uni-goettingen.de/get/text/3939 ''Versuch 69: Thermit-Verfahren.''] auf: ''lp.uni-goettingen.de''.</ref> Die Thermitreaktion ist jedoch mit erheblichen Gefahren verbunden, insbesondere wenn Feuchtigkeit anwesend ist. Siehe hierzu Abschnitt [[#Sicherheit|Sicherheit]].

=== Explosionsschutz ===
Eine Thermitreaktion kann auch durch heftigen mechanischen Kontakt erfolgen, wenn z. B. flugrostbehaftete Eisenteile auf Aluminium schlagen. Dabei können Funken geschlagen werden, die in der Lage sind, [[Schlagwetter|Methangasgemische]] zu zünden.<ref>Rundverfügung des Landesoberbergamtes NRW Nr. 18.23.2-5-16, vom 16. Juni 1984 mit Anlagen.</ref><ref>Technische Regeln für Betriebssicherheit, TRBS 2152 Teil 3. Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre – Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre.</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
{{Wikibooks|Anorganische Chemie für Schüler/ Metalle und Redoxreaktionen & Energiediagramm#Die Thermitreaktion}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=7MKnrhs9ock Animation: Thermitschweißverfahren]

[[Kategorie:Schweißen]]
[[Kategorie:Chemische Reaktion]]
[[Kategorie:Chemisches Experiment]]

Thermitreaktion - Versionsgeschichte

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