铝热剂的制备 毕业设计.doc

摘 要破岩技术主要用在化学岩石用炸药爆炸和民用建筑上，目是通过化合物反应产生的热和气体爆炸让目标粉碎。最初人们用的是黑火药，黑火药不稳定而且反应过程中产生大量有害物质，tnt的出现取代了黑火药，tnt威力巨大而且性能好，还可以在水中引爆，但是同样有缺点就是爆炸后会产生大量的有害气体，不能适应现在人们的需要。铝热剂不会产生有害气体，因此受到人们的关注。 本文主要研究铝热剂的制备，通过活泼金属和金属氧化物发生铝热反应产生能量和热量来实现破岩。通过不同的金属和金属氧化物的比对，找出最佳的组合，但是又要考虑到现实的生产成本，最终选定的是铝和氧化铁这组，不仅仅成本低而且反应剧烈。为了提高反应威力在混合药品中加入有机物，因为有机物反应会产生大量的热和气体，从而加大了最终产生的威力。关键词：铝热剂；金属；金属氧化物；破岩技术；有机物abstract rock technology is mainly used in chemical rock explosive blast and civil construction. the main purpose of which is produced by the reaction of compound heat and gas explosion shattered totarget. at first people used gunpowder. gunpowder produced a lot of harmful substances during the reaction, tnt production to replace the position of black powder。tnt is powerful and good performance and is detonated in the water.but there are also shortcomings which produces a large number of harmful gas after the explosion. it can not adapt to the needs of the people now. the thermite does not produce harmful gases ,so people are attention to it.this paper is to study the preparation of thermit. through active thermite reaction of metal and metal oxide to produce heat energy and to implement the broken rock. through the different metal boxes, metal oxide, finding out the best of a group. through active metal and metal oxide thermite reaction occurs to produce energy and heat to achieve rock-breaking . not only the cost is low but aiso the reaction is violent liquid. in order to improve the reaction force in the mixed with organic drugs. besause organic reactions can produce large amounts of heat and gas, thereby increasing the final produce power.key words: thermit；metals；metal oxides；rock technology；the organic matter目 录1 绪论11.1 破岩技术的发展史11.2 破岩技术的原理11.2.1 爆生气体膨胀作用11.2.2 爆炸应力波反射拉伸作用11.2.3 爆破的内部作用无限介质中的爆破作用21.2.4 爆破的外部作用 半无限岩石介质中的爆破作用21.3 破岩技术的分类21.3.1 爆炸破碎21.3.2 机械破碎21.3.3 水射流破碎31.3.4 热力破碎31.4 破岩技术中所用的炸药31.4.1 硝铵炸药31.4.2 铵油炸药31.4.3 含水炸药41.4.4 硝化甘油系炸药41.5 爆破技术的危害41.5.1 地震波41.5.2 爆破飞散物41.5.3 空气冲击波51.5.4 有毒气体51.5.5 爆破粉尘51.6 爆破技术的现状61.7 铝热剂61.7.1 铝热剂的介绍61.7.2 铝的介绍71.7.3 氧化亚铁介绍81.7.4 镁的介绍81.7.5 氧化锰的介绍81.8 全自动微机差热仪的介绍91.8.1 全自动微机差热仪的仪器特点91.8.2 仪器指标101.9 主要研究内容101.10 课题设计探究方案112 实验部分122.1 实验药品与实验器材122.2 实验的设计132.2.1 氧化锰的制备142.2.2 实验的反应式:142.3 实验步骤152.3.1 实验中用高压电并加入引燃剂的步骤152.3.2 实验中用高压电不加引燃剂的步骤162.3.3 实验中用电阻丝点燃并加入引燃剂的步骤162.2.4 实验中电阻丝引燃不加引燃剂的步骤172.4 实验的改进172.4.1 加入有机物的实验182.4.2 用电阻丝引燃加有机物实验182.5 分析数据的实验过程182.6 本章总结193 结果与讨论203.1 实验结果203.1.1 加入引燃剂高压电点燃的爆炸结果203.1.2 不加引燃剂高压电点燃的爆炸结果213.1.3 加入引燃电阻丝点燃爆炸结果223.1.4 不加引燃剂电阻丝点燃爆炸的结果223.1.5 不加引燃剂加尿素电阻丝点燃爆炸的结果233.2 差热分析的原理243.3 差热分析253.3.1 蔗糖、铝和二氧化锰的差热分析253.3.2 蔗糖，镁和二氧化锰的差热分析273.3.3 三氧化二铁、蔗糖和镁的差热分析293.3.4 三氧化二铁、铝和蔗糖的图像分析313.3.5 差热分析法对实验结果的探讨333.4 经济效益343.5 本章的结果34致 谢35参考文献36附录a 英文原文37附录b 汉语翻译42501 绪 论1.1 破岩技术的发展史中国于公元前11世纪之前（殷商时期），已用铜锛、铜斧破碎岩石。公元前5世纪起（战国时期），采用铁斧、铁锤、铁钎，这是破碎岩石工具的一大进步。公元10世纪后（北宋）出现利用热力破碎岩石的方法。17世纪匈牙利有利用黑火药采矿的记载。19世纪下半叶制成了凿岩机，发明了硝化甘油炸药。20世纪上半叶使用了硬质合金钎头和深孔爆破，使岩石破碎技术达到一个新的水平。19世纪末开始采用机械破岩方法，相继出现了截煤机、钻井机、采煤机、巷道联合掘进机、斗轮挖掘机等，使软弱矿岩的采掘工艺发生了显著变化。20世纪50年代以来，研究了热、电、磁、光、声、核射线等物理方法破碎岩石，但除热力方法外均未达到实用阶段1。1.2 破岩技术的原理岩体在冲击荷载的作用下产生应力波或冲击波，它在岩体中传播，引起岩石变形乃至破坏，炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变形和运动。由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万兆帕，从而在岩石表面形成冲击波，并在岩石中传播2。1.2.1 爆生气体膨胀作用炸药爆炸生成高温高压气体，膨胀做功引起岩石破坏。爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移，由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样，质点位移所受的阻力就不同，最小抵抗线方向阻力最小，岩石质点位移速度最高，正是由于相邻岩石质点移动速度不同，造成了岩石中的剪切应力，一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度，岩石即发生剪切破坏，破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出，形成一倒锥形的爆破漏斗坑。1.2.2 爆炸应力波反射拉伸作用岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波引起岩石破碎，岩石的破坏形式是拉应力大于岩石的抗拉强度而产生的。岩石是被拉断的，岩石爆破破碎正是爆生气体和爆炸应力波综合作用的结果，因为冲击波对岩石的破碎作用时间短，而爆生气体的作用时间长，爆生气体的膨胀促进了裂隙的发展。同样，反射拉伸波也加强了径向裂隙的扩展，岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展，爆生气体膨胀的准静态能量是破碎岩石的主要能源3。1.2.3 爆破的内部作用无限介质中的爆破作用岩石内药包中心距自由面的垂直距离称为抵抗线。对于一定量的装药来说，若抵抗线超过某一临界值时，可以认为药包处在无限岩石介质中。此时药包爆炸后，在自由面上不会看到爆破的迹象，这种爆破作用叫做爆破的内部作用。根据岩石的破坏情况，除了在装药处形成扩大空腔外，还将从爆源向外产生压缩粉碎区、破裂区和震动区。1.2.4 爆破的外部作用 半无限岩石介质中的爆破作用当抵抗线小于临界抵抗线时，爆破作用不仅发生在岩石内部，还将引起自由面附近岩石的破碎、移动和抛掷，形成爆破漏斗。这种爆破作用即为外部作用。1.3 破岩技术的分类破岩技术是采掘作业中使部分岩体脱离母体并破碎成岩块的工艺和理论。有爆炸破碎、机械破碎、水射流破碎和热力破碎等四种。研究岩石破碎的主要任务是：揭示破碎岩石的能耗和破碎效果间的联系，探求破碎载荷和岩石坚固性及破碎参数间的关系，研制安全、经济、高效采掘机具和器材，寻求新的破碎方法4。1.3.1 爆炸破碎利用炸药或其他爆炸物瞬间释放的巨大能量破碎岩石，目前应用最广也最有效。1.3.2 机械破碎分切削、冲凿、碾压、研磨四种方式。破岩时,破岩工具进入岩石，在工具移动前方的岩体内，出现密实核。在密实核周围产生较大块的崩碎体。机械破碎在硬岩中应用不广的主要原因是工具磨损严重。其磨损程度主要取决于岩石内硬矿物(主要是石英)的含量和颗粒大小岩石破碎。1.3.3 水射流破碎分低压大流量和高压小流量两种。前者压力不超过2107pa，多用于水力采矿或采煤砂矿露天水力开采；后者压力可达几亿帕(pa)以上，用来切割岩石。此外还研制出脉冲式射流技术，可有效地破碎坚固岩石而且无需很大功率。目前最高的瞬间压力，已达5.6gpa。高压水射流破碎岩石的能耗高，机械构造较复杂，目前多作为掘进机和露天牙轮钻机破碎岩石的辅助手段7。1.3.4 热力破碎在岩体内形成高的温度梯度，并利用岩石各组分的热胀系数不同，形成热应力，使岩体剥落或酥碎。含石英较多的岩石使用此法效果较好。现代加热方法有铝热剂、火焰喷射、等离子焰、微波、高能电子束、强大的击穿电流、激光等。但除火焰喷射法（火钻）外，其他均处于试验阶段。为选用合理的岩石破碎方法，将岩石按破碎难易程度分级。分级指标有普氏坚固性系数f、可钻性、可爆性、侵入硬度和凿岩比功等。20世纪50年代以来，中国矿山曾普遍应用普氏坚固性系数f作为分级指标。近年来正在研究更完善的分级方法。1.4 破岩技术中所用的炸药长用的炸药是以硝酸铵类氧化剂与可燃为主体或以单质炸药与附加组物成的爆炸性混合物。常用与煤炭、冶金、石油开采、交通水电、地质勘探、城市建设等经济建设领域5。1.4.1 硝铵炸药 硝铵炸药是粉状的爆炸性机械混合物，是应用最广泛的工业炸药品种之一，具有中等威力和一定的敏感性。它具有吸湿性与结块性，受潮后敏感性和威力显著降低，同时产生毒气。起爆药在较弱外部激发能（如机械、热、电、光）的作用下，即可发生燃烧，并能迅速转变成爆轰的敏感炸药。纯硝酸铵在常温下是稳定的，对打击、碰撞或摩擦均不敏感。但在高温、高压和有可被氧化的物质存在下会发生爆炸，在生产、贮运和使用中必须严格遵守安全规定。1.4.2 铵油炸药铵油炸药指由硝酸铵和燃料组成的一种粉状或粒状爆炸性混合物，主要适用于露天及无沼气和矿尘爆炸危险的爆破工程。产品包括：粉状铵油炸药、多孔粒状铵油炸药、重铵油炸药、粒状粘性炸药、增粘粒状铵油炸药。粉状铵油炸药指以粉状硝酸铵为主要成份，与柴油和木粉(或不加木粉)制成的铵油炸药。产品包括：13号粉状铵油炸药。多孔粒状铵油炸药指由多孔粒状硝酸铵和柴油制成的铵油炸药。重铵油炸药指在铵油炸药中加入乳胶体的铵油炸药，具有密度大，体积威力大和抗水性好等优点，适用于含水炮孔中使用，又称乳化铵油炸药。1.4.3 含水炸药含水炸药是20世纪50年代新兴的工业炸药。这类炸药含有氧化剂、可燃剂、敏化剂及其它添加剂，其中的固体组分均匀地分散于可溶性组分水溶液中。含水炸药的出现是自诺贝尔发明代拿买特以来的一个划时代的事件，它突破了炸药(特别是含有大量硝酸铵的炸药)不能含水的传统观念，为工业炸药的发展开辟了广阔的前景，对工业炸药的发展具有重大意义。1.4.4 硝化甘油系炸药硝化甘油系炸药又称代那迈特，主要成分为硝化甘油和吸收剂制成的一系列炸药。这类炸药爆炸性能较好，且起爆感度高、传爆性能好，但由于生产的安全性较差及成本较高等问题，生产量不大，在世界炸药市场只占 5左右。而且几乎都制成小直径（50mm以下）的规格，在煤矿井下爆破、水下爆破使用。根据所用吸收剂的不同，可分为硝酸钠和硝酸铵两个系列。根据产品外观，可分为粉状、胶质和介于两者之间的半胶质三类，其中粉状的用量不大，主要产品多数为胶质和半胶质炸药6。1.5 爆破技术的危害1.5.1 地震波当药包在岩石中爆破时，临近药包周围的岩石会产生压碎圈和破裂圈。当戍力波通过破裂嘲时，由于它迅速衰减。无法引起岩石的破裂，只能使岩石质点产生弹性振动，这种弹性波就足地震波。1.5.2 爆破飞散物在工程爆破中，被爆介质中那些脱离：犀堆而飞得较远的碎石，称为爆破个别散物。造成爆破匕散物的凼素有很多。1.5.3 空气冲击波爆破空气冲击波是爆破产生的空气内的一种压缩波。炸药在空气中爆炸，具有高温高压的爆炸产物直接作用在空气介质上;在岩体中爆炸，这种高温高压爆炸产物就在岩体破裂的瞬间冲入大气中.爆破空气冲击波产生的原因有很多种，主要有：1.裸露地的的炸药产生宅气冲击波，比如地上的导火索：2.装药孔口堵塞长度小够，堵塞质量也不好，高温高压爆炸产物从孔口外溢。产生空气冲击波：3.局部抵抗线太小，沿该方向以释放爆炸能量，产生空气冲击波;4.岩体不均匀，在断层、夹层等薄弱部位，爆炸产物集中喷出形成空气冲击波;5.爆破时岩体沿最小抵抗线方向振动外移，发生鼓包运动，以及强烈的振动诱发空气冲击波。爆破空气冲击波带来较大的危害，露天和地下大爆破或炸药库房意外爆炸事战产生的强烈空气冲击波，可以造成建筑物、设备、管线及人备不同程度的破坏和损伤10。1.5.4 有毒气体工稃爆破中一般采用炸药都足由c、h、0、n四种元素组成的化合物中氮氧化物和一氧化碳是有毒气体，为了避免或减少生成氮氧化物和一氧化碳，炸药爆炸反应时力求达到正氧平衡或零氧平衡，从而把碳和氢完全氧化生成二氧化碳和水。此外，当爆破介质中含有硫化物，如硫化矿、黄铁矿、含黑铁矿的煤炭，爆破时还会生成硫化氢和二氧化硫等有毒气体。硫化物矿石在某些特定条件与硝铵炸药直接接触，发生一系列化学反应，使炸药爆燃或燃烧而引起自爆，产生大量毒气。有毒气体对人的危害主要是，一氧化氮与红细胞内的血红蛋白结合，造成人体严重缺氧，严重时会致使窜息死亡;氮氧化物中的一氧化氮不溶解于水，但可与血液中的红血球结合，生成一种的自然分解物，从而损害人体吸收氧的能力，产生缺氧的萎黄病：其它到氧化物溶于水，在肺表面粘膜上反应牛成硝酸和亚硝酸，可能使肺部发生浮肿或水肿而致死。1.5.5 爆破粉尘近年，城市建筑物拆除爆破中的粉尘对环境的污染问题越来越受到人们的关注。拆除爆破施工作业中，采用干湿钻孔时，其作业向围的粉尘浓度可达数十毫克每立方米。影响爆破粉尘的因素很多，主要有：1.爆破的物理性质对产尘强度有很大的影响。岩石硬度愈大，爆破后进入空气中的粉尘量也愈大;2.爆破单位体积的岩石所用的炸药量愈多，产尘强度愈大;3.炮孔深，产尘强度小，炮孔浅，产尘强度大;4.爆破技术不同产尘强度也不同;5.岩石表面、巷道周边的稗度和宅气湿度愈小，工作面的粉尘浓度愈高。粉尘对人身体健康有很大的影响，当吸入大量游离二氧化硅的粉尘时，会引起矽肺(尘肺中最严重的一种职业病)。1.6 爆破技术的现状近年来，国内外在爆破理论、爆破工艺、爆破技术方面部有了新的发展和提高。国内外推广应用了导爆管系统及抗静电、杂电和射频电的安全电雷管及耐高温、高压电雷管，研制出了无起爆药雷管、电磁雷管和电子雷管等新型起爆器物。随着爆破作业机械化程度的提高，推动了爆破新技术与爆破安全工作的迅速发展。又如现场混装乳化炸药技术的进一步发展和应用及数码电子雷管技术的研发成功与逐步完善，受到了国内外爆破界的广泛关注，这也必将推动国际工业炸药、起爆器材与爆破技术的整体进步。在地下钻孔爆破中，自动化控制技术和爆堆矿岩块度计算机图像分析技术的广泛应用，为爆破工程实践中质量管理工作提供了重要参考依据8。 随着我国科学技术的进步，工程爆破已在越来越多的领域内得到迅速发展，尤其是20世纪80年代以来，我国在爆破理论研究和工程实践方面部取得了显著的成绩，为我国的国民经济建设做出了巨大的贡献。根据国防科工委统计，2004年全国从事民爆器材行业生产经营活动的企业有1899家，全年共生产工业炸药216万t，工业雷管30.27亿发，工业索类火工品23.19亿米 。工程爆破是直接为我国矿业、交通、水利、电力和城市建设服务的，有力地促进了我国现代化建设的发展11。中国工程爆破协会技术考察团在 1998 年赴美国参加了第 24 届炸药与爆破技术年会和第 14 届炸药与爆破研究研讨会，并对美国和加拿大的两个炸药生产厂、矿山爆破作业及安全管理等进行了技术考察。加强了国内外技术交流，有利于推动我国工程爆破事业的发展。许多工程爆破课题被列入国家 “七五 ”、 “八五 ”项目。 通过这些项目的实施使我国的工程爆破技术得到全面迅速而有序的发展，并取得了一系列可喜成果9。1.7 铝热剂1.7.1 铝热剂的介绍铝热剂是把铝粉和三氧化二铁粉末按一定比例（铝：三氧化二铁=1：3时刚好完全反应）配成的混合物， 使用时加入氧化剂点燃，反应激烈进行，得到氧化铝和单质铁并放出大量的热，温度可到约2482，能使生成的铁熔化。这个反应叫做铝热反应，法国化学家戈尔施米特（h.glodschmidt, 1861-1923）于1895年发明。铝热反应原理可以应用在生产上，例如焊接钢轨等。用某些金属氧化物（如v2o5、cr2o3、mno2等）代替氧化铁，也可以做铝热剂。当铝粉跟这些金属氧化物反应时，产生足够的热量，使被还原的金属在较高温度下呈熔融状态，跟形成的熔渣分离开来，从而获得较纯的金属。在工业上常用这种方法冶炼难熔的金属，如钒、铬、锰等。利用的是铝被氧化时放热。图1.1 铝热反应的实验装置1.7.2 铝的介绍元素周期表中原子序数为13，属a族的金属元素。元素符号al。金属材料有色金属材料银白色轻金属。有延性和展性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液，不溶于水。相对密度2.70。熔点660。沸点2327。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用。应用极广泛13。图1.2铝粉1.7.3 氧化亚铁介绍氧化铁，别名烧褐铁矿、烧赭上、铁丹、铁粉、红粉、威尼斯红（主要成分为氧化铁）、三氧化二铁等。化学式fe2o3，溶于盐酸，为红棕色粉末。其红棕色粉末为一种低级颜料，工业上称氧化铁红，用于油漆、油墨、橡胶等工业中，可做催化剂，玻璃、宝石、金属的抛光剂，可用作炼铁原料12。三氧化二铁是铁锈的主要成分。铁锈的主要成因是铁金属在杂质碳的存在下，与环境中的水分和氧气反应，铁金属便会生锈。用于油漆、油墨、橡胶等工业中，可做催化剂，玻璃、宝石、金属的抛光剂，可用作炼铁原料。氧化铁最大的应用是作为颜料来使用。按颜色分为氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁黑，氧化铁棕由氧化铁红、氧化铁黑（和氧化铁黄）混合而成；氧化铁橙是由氧化铁红和氧化铁黄混合而成；氧化铁绿是由蓝色的酞菁兰和氧化铁黄混合而成。图1.3 三氧化二铁1.7.4 镁的介绍元素周期表中原子序数为12，属a族的金属元素。元素符号mg。发现过程1808年，英国的戴维，用钾还原白镁氧（即氧化镁mgo），最早制得少量的镁。物理性质：银白色的金属，密度1.738克/厘米3，熔点648.914。沸点1090。化合价+2，电离能7.646电子伏特，是轻金属之一，具有延展性，金属镁无磁性，且有良好的热消散性。1.7.5 氧化锰的介绍氧化锰（manganese oxide），物理性质，黑色无定形粉末，经常出现于软锰矿及锰结核中。二氧化锰主要用途为制造干电池，如碳锌电池和碱性电池；也常在化学反应中作为催化剂。在1967年共使用了500000吨的软锰矿。二氧化锰也经常被用来制作过锰酸钾（高锰酸钾）（kmno4）。它常被用作有机化学中的氧化剂。图1.4二氧化锰氧化锰在有机化学中十分有用。被用于氧化物的氧化锰的形态不一，因为氧化锰有多个结晶形态，化学式方面可以写成mno2-x(h2o)n，其中x介于0至0.5之间，而n可以大于0。氧化锰可在不同ph下的高锰酸钾（kmno4）和硫酸锰（mnso4）的反应之中产生15。啡色的氧化锰沉淀物很活泼。最有效的有机溶剂包括芳香性物质、氯化碳、醚、四氢呋喃和酯类等。其中一个氧化锰专用的化学反应是将醇类转化为酮类。即使该醇类中有双键，也不会被氧化锰所氧化，当中的产物即使有多活跃也不会再被氧化。二醇类可被氧化锰氧化为二酮。其他氧化锰的反应极之多，可用在氧化出胺、芳香物和三醇等。1.8 全自动微机差热仪的介绍1.8.1 全自动微机差热仪的仪器特点1.炉体自动升降、定位准确，提高了测量的重复性。2.两路吹扫气与一路保护气体，使用的集成的质量流量控制系统及响应软件功能进行精确的流量设定与控制。3.液晶时时显示仪器状态、数据。4.dsc方式数据采集分析。5.智能化软硬件设计，全部测量过程自动完成，自动绘图，丰富的软件可完成dta常规数据处理；特殊数据处理（dta面积及热焓计算；动力学参数计算；数据比较）。6.智能化系统采集试样过程中，根据输出信号大小可自动变换量程。7.国内唯一可由用户利用标准试样进行温度、差热各项校正的仪器，减少仪器误差。8.usb或串行通讯接口，方便与笔记本电脑连接。9.自动化控温软件功能强大而灵活，用户界面友好，具有丰富的数据分析并能可灵活的进行温度程序设定。1.8.2 仪器指标温度范围：dta100为室温-1150、dta200为室温1450温度准确度：0.1升温速率：0.1/min80/min测量范围：10uv1000uvdta解析读：0.005dsc方式数据采集分析dsc测量范围：1mw100mwdsc解析度：10uw真空度（仪器本身有真空密封措施）选配真空机组后可达2.66-2pa两路吹扫气与一路保护气体，使用集成的质量流量控制系统及相应的软件功能进行精确的流量设定与控制。具备差热基线校正功能。坩埚容积：约为0.6ml图1.5 dta-100全自动微机差热仪图片1.9 主要研究内容通过文献的查阅，对破岩技术的利用前景有了一定的了解，本次设计的主要内容如下：1）尝试实验还原性金属与金属氧化物的反应，看是否能发生反应;2）对不同的金属盒金属氧化进行比对，找出最好的一组;3）如何增加爆炸的威力，让反应剧烈;4）找出最稳定的铝热剂，要选用惰性药品;通过实验不同金属和金属氧化物反应，根据市场调查，找出最佳的一组。1.10 课题设计探究方案查阅相关资料，找出金属氧化物和金属的比值，这样能使铝热剂反应能达到最好的效果。样品基本成份：金属氧化物:75%, 金属：25%。经过老师的指导以及资料的查阅，由于在实际的生活中很难找到高压电，所以我本次试验先引用一个引燃剂，在普通的条件下就能将引燃剂引燃，然后通过点燃的引燃剂来引发后面发生的铝热反应，从而达到实验目的。为了使反应能进行先对高氯酸钾和铁做为引燃剂，调节他们的质量比来引燃。或者用镁和二氧化锰来做引燃剂，最终的目的是达到后面的铝热反应燃烧温度，使铝热反应能顺利进行。2 实验部分2.1 实验药品与实验器材表2.1 实验主要成分主要成分来源价格元/500g占有比例%镁天津市南区咸水沽工业园区5825铝天津市科密哦化学试有限公司34.525高锰酸钾国药集团化学有限公司3640氧化铁天津市科密哦化学试有限公司2875二氧化锰国药集团化学有限公司66.575硫酸锰国药集团化学有限公司3460表2.2 实验的添加剂药品添加剂等级占有比例%铁分析纯66高氯酸钾分析纯34尿素-蔗糖-表2.3 实验器材仪器名称实验作用数量电子天平称量药品的质量1研磨锅将药品研细和混合均匀1药勺用来取药品1平板硫化机用来压实药品，用于后来的热差分析1玻璃棒用来搅拌药品1密封袋用来储存药品14cr2032纽扣式电池壳对微量试样进行燃烧实验10玻璃管用来装药品，来进行检测8真空干燥箱将药品烘干1碳素笔管用来装药品进行爆炸8220v交流电源提供电流1电容器制造高压电1胶枪用来密封药品1电阻丝通电时用来产生大量的热8全自动微机差热仪用来进行差热分析12.2 实验的设计本实验的实验原理主要是发生铝热放应，应为铝热反应能放出大量的热，从而能瞬间产生巨大的威力，达到实验的要求。在正常条件下想点燃铝热剂也是很难的，就像用酒精灯将其引燃，是不可能的。所以这也是我想要的稳定性，这样的炸药储存就很方便了。为了点燃我又在里面添加引燃剂，这样可以很容易将其点燃。在点燃这块，一开始选择的是高电压方法，直接在里面通过强电压将其点燃，后来考虑到安全性和使用性，高电压很危险，而且正常生活中也很难找到，我就改用电阻丝法。电阻丝在通电的时候能产生热，这样即使是220v的电压也能产生大量的热将铝热剂点燃，而且比高压电危险性小，而且日常生活中很常见。这就是我设计的理念。2.2.1 氧化锰的制备二氧化锰粉体的制备采取一种相对简单的液相共沉淀法，是将两种药品混合在一起从而让其发生反应最终沉淀的一种方法。工艺为:准确称取9.48 g高锰酸钾(分析纯)，溶解到360ml去离子水中，用玻璃棒不断的搅拌让其完全溶解;称取15.21 g硫酸锰(分析纯)，溶解到500ml去离子水中，用玻璃棒不断搅拌让粉末完全溶解。将两者直接混合，用离心搅拌机强烈搅拌，反应6h，将会发生如下反应: 2mn7+ +3mn2+ 5mn4+ （2.1）6h之后将沉淀产物静止2h，然后用去离子水多次洗涤，直至洗液在过滤后无色。从滤斗上去下药品放入真空干燥箱中进行热设置温度80进行加热，用来出去其中水分，最终称得药品的质量是13.2g。再将药品用研磨锅进行研磨将药品研碎放入密封袋中保存。2.2.2 实验的反应式:铝和氧化亚铁的反应： 2al + 3fe2o3 al2o3 + 2fe （2.2）铝和氧化锰的反应： 4al + 3mno2 2al2o3 + 3mn （2.3）镁和氧化亚铁的反应：6mg + 2fe2o3 6mgo + 4fe （2.4）镁和氧化锰的反应： 2mg + mno2 2mgo + mn （2.5）引燃剂的反应： 4kclo4 + 8fe 4kcl + fe2o3 + 2o2 （2.6）蔗糖与铝和氧化铁反应：c12h22o11 + 2al + 9fe2o3 al2o3 + 18fe + 12co2 + 12h2o （2.7）蔗糖与铝和氧化锰反应： c12h22o11 + 4al + 24mno2 2al2o3 +24mn + 12co2 + 12h2o （2.8）蔗糖与镁和氧化亚铁的反应：c12h22o11 + 6mg + 10fe2o3 6mgo + 20fe + 12co2 + 12h2o （2.9）蔗糖与镁和氧化锰的反应：c12h22o11 + 2mg + 25mno2 2mgo + 25mn + 12co2 + 12h2o （2.10）2.3 实验步骤2.3.1 实验中用高压电并加入引燃剂的步骤 通过查阅文献找出铝热剂的最佳比值是金属氧化物和还原金属质量比3:1，引燃剂中铁和高氯酸钾的质量比是2:1. 用钥匙取药品（药品放在干燥，通风良好的地方）放在电子天平上分别量取第一组2.7g氧化锰粉末、0.9g铝粉末；第二组2.1g氧化亚铁粉末、0.7g铝粉末；第三组2.7g氧化锰粉末、0.9g镁粉末；第四组2.0g氧化亚铁、0.7g镁；第五组2g铁、1g高氯酸钾。 将上面五组药品分别依次放在研磨锅里面研磨，研磨时要用力，要让其中药品粉末充分混合每一组都要研磨20分钟。研磨好后分别装入密封袋中，并且标记上组号。 将第一组、第二组、第三组和第四组药品分别取出0.9g与第五组药品0.1个放在研磨锅内混合，并且充分研磨20分钟。 分别将混合后的4组药品放在长约2厘米，直径3毫米的玻璃管中并用胶枪密封。药品要充满玻璃管不要留有空隙。别且称量质量。 将4组玻璃管分别放在透明罩内能产生高压电的装置中（如下图）分别通过高压电看结果能否爆炸。图2.1 产生高压电的装置2.3.2 实验中用高压电不加引燃剂的步骤实验过程中只是不加如引燃剂，其他的步骤同加入引燃剂是一样的，观察实验的结果。 2.3.3 实验中用电阻丝点燃并加入引燃剂的步骤 用钥匙取药品（药品放在干燥，通风良好的地方）放在电子天平上分别量取第一组27g氧化锰粉末、9g铝粉末；第二组21g氧化亚铁粉末、7g铝粉末；第三组27g氧化锰粉末、9g镁粉末；第四组20g氧化亚铁、7g镁；第五组20g铁、10g高氯酸钾。 将上面五组药品分别依次放在研磨锅里面研磨，研磨时要用力，要让其中药品粉末充分混合每一组都要研磨20分钟。研磨好后分别装入密封袋中，并且标记上组号。 将拿来的电阻丝拉直，并用直尺量出约30cm长度的电阻丝，并用剪刀剪断，一共用4根同样的电阻丝。将准备好的电阻丝中间部分用剪刀剪一下，但不要剪断（剪的目的是因为要这个地方产生大量热，并将药品点燃），并放好在桌子上。 用小玻璃管套在电阻丝的外边，并将玻璃管的中心部分和电阻丝的中间部分对齐（为了使药品在玻璃管中间爆炸），并将第5组药品倒入在玻璃管内，用药品将玻璃管填满，并用药勺压一压，最后用胶枪小心封住，并将封好的玻璃管放在通风良好的地方，让其快速冷却封牢。同样的方法做4组。 分别将组装好药品的玻璃管放在记号笔管中，也要将小玻璃管对在中间位置，将记号笔的一头用胶枪封住。待封口干后，用药品充满记号笔管内不要留有空隙。用笔帽堵住，并用胶枪封牢，放在通风良好的地方，让其快速干。同样的方法做4组不同的药品，用来做实验的检测。（如下图）。图2.2 用记号笔装好的药品 将记号笔拿到汽车学院，在汽车学院进行爆破，将一个水泥石块用电钻钻一个一寸长的洞将记号笔放在里面，将电阻丝俩头伸出来，上面压住一个水泥石（防止破碎物飞溅，并能收集产物），并通220v电压来一起爆炸（如图）。图2.3 实验检测的过程2.2.4 实验中电阻丝引燃不加引燃剂的步骤实验的过程与上面类似，只是不加引燃剂，观察实验结果。2.4 实验的改进在以上做的实验中，都能成功，但是我们想要提高爆炸的威力，让反应产生的能力和更高，效果更明显，通过查阅文献，我找到了增加有机物的这种方法，加入有机物如果实验能爆炸，那么加入的有机物也随着反应而爆炸。通过有机物反应产生的气体和能很大的提高爆炸的威力。因为有机物燃烧不仅能产生大量的热，而且还能产生大量的气体。我们可以想象如果一个狭小的空间瞬间产生大量的气体，那么它的威力可想而知了。所以我在下面的实验加入不同的有机物。但是我还不清楚加入有机物后会不会发生反应。所以下面来进行实验。表2.10 加入的有机物介绍有机物分子式分子量熔点沸点尿素ch4n2o60.06132.8196蔗糖c12h22o11342.3186-淀粉(c6h10o5)n162n-2.4.1 加入有机物的实验 先将蔗糖放在研磨锅内研磨，我们要将蔗糖由颗粒研磨成粉末状（目的是为了让反应更容易），研磨一个小时。 用同样的方法配置上面5组药品，然后将蔗糖与其混合，并且充分研磨，让粉末完全混合，最终配出4组药品。 将配置好的4种药品放如玻璃管中进行点燃，观察结果。2.4.2 用电阻丝引燃加有机物实验按上述电阻丝的方法做4组不加引燃剂，见有机物灌在水性笔管的外面观察实验结果。 2.5 分析数据的实验过程用钥匙取药品（药品放在干燥，通风良好的地方）放在电子天平上分别量取第一组2.7g氧化锰粉末、0.9g铝粉末；第二组2.1g氧化亚铁粉末、0.7g铝粉末；第三组2.7g氧化锰粉末、0.9g镁粉末；第四组2.0g氧化亚铁、0.7g镁。将上面4组药品分别依次放在研磨锅里面研磨，研磨时要用力，要让其中药品粉末充分混合每一组都要研磨20分钟。研磨好后分别装入密封袋中，并且标记上组号。将蔗糖单独研磨，再按照各自的比例与上面4组药品混合，研磨时要用力，要让其中药品粉末充分混合每一组都要研磨20分钟。研磨好后分别装入密封袋中，并且标记上组号。将第一组、第二组、第三组和第四组药品分别取出少许，用钥匙挖取少量并放在纽扣电池的盖上，装满为止，并用钥匙轻轻地压一压，将药品压实。然后找二块铁板，用蒸馏水清洗2次，并烘干。将药品放在一铁板正中间，并用另一块铁板将其盖住，并且对齐，目的是防止将纽扣电池盖压歪，受力不均匀而不能压实药品。将两个夹住纽扣的铁板放在压片机的中间，启动压片机，缓慢地将拉杆从左边移置到右边。看着压片台慢慢升起，直到压片机到顶端。当压片机连续警报了5秒钟后，将拉杆从左边缓慢移置到右边，待压片台缓慢落下，并且稳定后，将铁片慢慢拿出来。将药品从铁片中拿出，并用清洗过的镊子将药品扣下一小块,用专门的小药勺来取药品，并放入小干锅中，再将小干锅放入差热仪中经行检测。检测后记录数据，并将保存的数据导入到word文档中，并用originpro8来做出图像来。2.6 本章总结本实验从加入引燃剂的铝热反应，到不应染剂的铝热反应，以致最终引入有机物等实验。都是为了观察实验结果能否爆炸，并且看结果的威力大小。一开始使用高压电来经行检测，但是后来考虑到高压电的危险，每次实验的电压时在2万v左右，不适于真正的生活与生产。所以后来又改用了电阻丝的方法，来引燃反应。电阻丝的方法比较能满足生活和生产，因为我们只需要220v电压，在日常生活中都是常见的。在有机物中最好不要用尿素，因为我们知道尿素中含有n元素，反应中很有可能产生有害的气体。实验全部成功，这是最好的结果。但是实验条件有限不能精确的比较与分析这是次实验唯一一点的遗憾。3 结果与讨论3.1实验结果3.1.1 加入引燃剂高压电点燃的爆炸结果表3.1 加入引燃剂高压电点燃爆炸结果组别结果第一组氧化锰和铝+引燃剂爆炸第二组氧化亚铁和铝+引燃剂爆炸第三组氧化锰和镁+引燃剂爆炸第四组氧化亚铁和镁+引燃剂爆炸表3.2 实验前后的质量组别实验前质量g实验后质量g第一组氧化锰和铝+引燃剂1.261.13第二组氧化亚铁和铝+引燃剂1.331.23第三组氧化锰和镁+引燃剂1.251.08第四组氧化亚铁和镁+引燃剂1.281.14通过表3.1我们可以看出加入引燃剂的铝热剂通过高压电能够反应爆炸，这可以说明我的想法是可以实现的，通过当时现场的清况观看，效果明显的强度顺序是第三组第四组第一组第二组。通过表3.2实验前后的质量剩余也可以看出第一组实验前后差值是0.13g，第二组实验的前后质量之差是0.1g，第三组实验的前后质量之差是0.17g，而第四组实验的前后质量之差是0.14g。由此可以看出4组的实验前后质量差的大小顺序是第三组第四组第一组第二组。我们可以想象，爆炸威力越大，必然消耗是很多的，那么它的实验前后的质量差也必然是大的。所以我们可以得出性能好坏的顺序是第三组第四组第一组第二组。3.1.2 不加引燃剂高压电点燃的爆炸结果表3.3不加引燃剂高压电点燃的结果组别结果第一组氧化锰和铝爆炸第二组氧化亚铁和铝爆炸第三组氧化锰和镁爆炸第四组氧化亚铁和镁爆炸表3.4 反应前后的质量组别实验前质量g实验后质量g第一组氧化锰和铝1.271.11第二组氧化亚铁和铝1.331.21第三组氧化锰和镁1.331.05第四组氧化亚铁和镁1.301.12通过表3.3实验我们可以看出加入引燃剂的铝热剂通过高压电能够反应爆炸，这可以说明我的想法是可以实现的，通过当时现场的清况观看，效果明显的强度顺序是第三组第四组第一组第二组。通过表3.4实验前后的质量剩余也可以看出第一组实验前后差值是0.16g，第二组实验的前后质量之差是0.12g，第三组实验的前后质量之差是0.28g，而第四组实验的前后质量之差是0.18g。由此可以看出4组的实验前后质量差的大小顺序是第三组第四组第一组第二组。我们可以想象，爆炸威力越大，必然消耗是很多的，那么它的实验前后的质量差也必然是大的。所以我们可以得出性能好坏的顺序是第三组第四组第一组第二组。3.1.3 加入引燃电阻丝点燃爆炸结果表3.5加引燃剂电阻丝点燃爆炸的结果组别结果第一组氧化锰和铝+引燃剂爆炸第二组氧化亚铁和铝+引燃剂爆炸第三组氧化锰和镁+引燃剂爆炸第四组氧化亚铁和镁+引燃剂爆炸通过表3.5实验我们可以看出加入引燃剂的铝热剂通过高压电能够反应爆炸，这可以说明我的想法是可以实现的，通过当时现场的清况观看，效果明显的强度顺序是第三组第四组第一组第二组。3.1.4 不加引燃剂电阻丝点燃爆炸的结果表3.6 不加引燃剂电阻丝点燃爆炸的结果组别结果第一组氧化锰和铝爆炸第二组氧化亚铁和铝爆炸第三组氧化锰和镁爆炸第四组氧化亚铁和镁爆炸通过表3.5实验我们可以看出加入引燃剂的铝热剂通过高压电能够反应爆炸，这可以说明我的想法是可以实现的，通过当时现场的清况观看，效果明显的强度顺序是第三组第四组第一组第二组。由以上的几组实验结果，我们可以看出一开始我的想法是正确的。任何一组实验都能够成功，那我们就要在成功的基础上进一步实验，让其能够真正投入到生产生活中，为人们造福。3.1.5 不加引燃剂加尿素电阻丝点燃爆炸的结果表3.7 不加引燃剂电阻丝加尿素点燃爆炸的结果组别结果第一组氧化锰和铝+尿素爆炸第二组氧化亚铁和铝+尿素爆炸第三组氧化锰和镁+尿素爆炸第四组氧化亚铁和镁+尿素爆炸通过表3.7我们可以看出，反应中加入有机物尿素也会发生反应，并且反应更加剧烈，而且还伴随着大量的气体，当时的情景如下图3.1，我这是躲在远远的车的后面拍摄的。图3.1 加入有机物爆炸的情景本实验通过热差分析法来对实验的结果进行分析，因为光凭眼睛观察室不能说明什么问题的，要用最终的数据来说明实验。3.2 差热分析的原理将试样和参比物分别放入坩埚，置于炉中以一定速率进行程序升温，以ts、tr 表示各自的温度，设试样