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테르밋

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목차

1. 개요

테르밋은 금속 산화물을 알루미늄으로 환원시키는 화학 반응으로, 고온을 발생시켜 금속을 용접하거나 절단하는 데 사용된다. 알루미늄과 산화철의 반응이 대표적이며, 철도 레일 용접, 금속 제련, 군사용 소이탄 등 다양한 분야에서 활용된다. 반응 중에는 매우 높은 온도가 발생하므로 취급에 주의해야 한다.

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테르밋
개요
종류발열 반응 혼합물
구성 요소금속 분말 (연료) 및 금속 산화물 (산화제)
반응 온도약 2,500 °C (4,530 °F)까지 상승 가능
역사
발명한스 골트슈미트(Hans Goldschmidt) (1893년)
특허1895년 획득
화학 반응
일반적인 반응금속 산화물 + 금속 → 산화 금속 + 금속
예시Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3
반응열-851.5 kJ/mol
용도
야금금속 정련
용접철도 레일 용접
파괴금속 절단
군사소이탄
폭탄열화탄 폭탄
안전성
위험성고온, 화상 위험, 폭발 가능성
주의사항적절한 안전 장비 착용, 가연성 물질로부터 격리
기타
관련 물질테르밋 반응
열화 우라늄

2. 화학 반응

테르밋 반응은 금속 산화물과 알루미늄 간의 산화-환원 반응이다. 알루미늄은 산소와 강한 결합을 형성하여 다른 금속의 산화물을 환원시키고, 많은 양의 열을 방출한다.[4]

대표적인 반응식은 다음과 같다.

: Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

이 반응에서 산화 철이 환원되어 철이 생성되고, 산화 알루미늄과 함께 많은 열이 발생한다. 반응물은 일반적으로 분말 형태로 결합제와 혼합하여 고체 상태를 유지한다.

크롬 산화물과 같이 다른 금속 산화물을 사용하면 해당 금속을 생성할 수도 있다. 예를 들어 산화 구리와 알루미늄을 반응시키면 구리를 얻을 수 있으며, 이 반응은 캐드용접에 사용된다.

: 3 CuO + 2 Al → 3 Cu + Al2O3

금속 산화물과 알루미늄 분말 혼합물에 점화하면 알루미늄이 금속 산화물을 환원시키면서 고온을 발생시킨다. 이러한 환원성과 고열로 인해 목적하는 금속 덩어리는 하부에 침강하여 순수한 금속을 얻을 수 있다. 또한 이 방법은 탄소 연료를 사용하지 않으므로 생성 금속에 탄소가 포함되지 않는다. 금속뿐만 아니라 알루미늄 분말과 얼음 미립자를 혼합해도 테르밋 반응이 일어난다.

알루미늄과 금속 산화물을 이루는 금속의 이온화 경향 차이가 클수록 더 많은 열이 발생한다. 산화철(III)과 알루미늄의 반응에서는 다음과 같이 851.5kJ/mol의 열이 발생한다.

: Fe2O3\ + 2Al -> Al2O3\ + 2Fe

: \Delta H^\circ = -851.5\ \rm{kJ/mol}

2. 1. 반응 메커니즘

알루미늄은 다른 금속보다 산소와 더 강하고 안정적인 결합을 형성한다. 다음은 그 예시이다.

: Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

생성물은 산화 알루미늄, 원소 철,[4] 그리고 많은 양의 열이다. 반응물은 일반적으로 분말화되어 결합제와 혼합되어 물질을 고체로 유지하고 분리를 방지한다.

크롬 산화물과 같은 다른 금속 산화물을 사용하여 주어진 금속을 원소 형태로 생성할 수 있다. 예를 들어, 산화 구리와 원소 알루미늄을 사용하는 구리 테르밋 반응은 캐드용접이라고 불리는 공정에서 전기적 접합을 만드는 데 사용될 수 있으며, 이는 원소 구리를 생성한다(격렬하게 반응할 수 있음).

: 3 CuO + 2 Al → 3 Cu + Al2O3

2. 2. 생성물

산화철을 사용한 테르밋 반응. 밖으로 튀는 불꽃은 연기를 내며 뒤따르는 용융 철의 덩어리이다.


테르밋 반응의 생성물은 산화 알루미늄, 원소 철,[4] 그리고 많은 양의 열이다. 반응물은 일반적으로 분말화되어 결합제와 혼합되어 고체 상태를 유지하고 분리를 방지한다.

크롬 산화물과 같은 다른 금속 산화물을 사용하여 해당 금속을 원소 형태로 만들 수도 있다. 예를 들어 산화 구리와 원소 알루미늄을 사용하는 구리 테르밋 반응은 캐드용접이라고 불리는 공정에서 전기적 접합부를 만드는 데 사용되며, 이 반응으로 원소 구리가 생성된다(격렬하게 반응할 수 있음).

: 3 CuO + 2 Al → 3 Cu + Al2O3

금속 산화물과 금속 알루미늄 분말 혼합물에 불을 붙이면, 알루미늄이 금속 산화물을 환원시키면서 고온을 발생시킨다. 이러한 환원성과 고열 덕분에 목적하는 금속 덩어리는 아래에 가라앉아 순수한 금속을 얻을 수 있다. 또한 이 방법은 탄소 연료를 사용하지 않으므로 생성되는 금속에 탄소가 포함되지 않는다는 특징이 있다. 금속뿐만 아니라 알루미늄 분말과 얼음 미립자를 혼합해도 테르밋 반응이 일어난다.

알루미늄과 금속 산화물을 이루는 금속의 이온화 경향 차이가 클수록 더 많은 열이 발생한다.

예를 들어, 산화철(III)과 알루미늄의 반응에서,

: 화학식은

: Fe2O3\ + 2Al -> Al2O3\ + 2Fe

: 에너지는

: \Delta H^\circ = -851.5\ \rm{kJ/mol}

로, 발생하는 열은 851.5kJ/mol이다.

2. 3. 나노 테르밋

나노 테르밋은 '슈퍼 테르밋'이라고도 불리며,[73] 점화 후 고온의 발열 반응을 하는 준안정 분자간 복합재(MICs)[65]의 일종이다. 나노 테르밋은 산화제와 환원제가 나노미터 크기로 혼합되어 있다. 기존 테르밋과 달리, MICs는 마이크로미터 크기 입자 대신 나노 입자를 사용한다. 이 때문에 반응성이 기존 테르밋보다 훨씬 크다. 기존 테르밋의 연소 속도를 늦추는 물질 이동(교반)은 나노 크기에서는 중요하지 않아 반응이 더 빠르게 진행된다.

나노 테르밋은 원자 수준에 가까운 반응 입자로 인해 에너지 방출 속도가 빠르다.[66] 이러한 특징으로 인해 MICs와 슈퍼 테르밋은 군사용 추진제, 폭약, 화공품 등으로 개발되고 있다. 높은 반응 속도를 가진 나노 테르밋은 미국군에서 더 강력한 신형 폭탄으로 연구되고 있으며,[67] 연료 기화 폭탄도 나노 에너지 물질을 활용하는 방안이 검토되고 있다. 군사용 나노 크기 물질 연구는 1990년대 초부터 시작되었다.[68]

열역학적으로 안정적인 연료와 산화제의 조합은 다양하며, 몇 가지 예시는 다음과 같다.

연료산화제
알루미늄산화 몰리브덴(VI)
알루미늄산화 구리(II)
알루미늄산화 철(II,III)
안티몬과망간산 칼륨
알루미늄과망간산 칼륨
알루미늄산화 비스무트(III)
알루미늄산화 텅스텐(VI) 수화물
알루미늄불소 수지 (보통 Magnesium/Teflon/Viton영어)
티타늄붕소 (연소하여 Titanium diboride영어)



군사용 연구에서는 알루미늄-산화 몰리브덴, 알루미늄-테플론, 알루미늄-산화 구리(II)가 주로 연구된다.[68] 이 외에도 나노 크기의 트리메틸렌트리니트라민(RDX), 열가소성 엘라스토머, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등이 사용되기도 한다. 알루미늄과의 반응은 마그네슘 테르밋에 에너지 반응을 더한 것과 비슷하다.[69]

나노 입자는 용액의 분무 건조나 불용성 전구체를 분사하여 열분해하는 방식으로 제조한다. 복합 재료는 졸겔법이나 혼합 및 압출로 만들어진다.

나노 라미네이트 파이로테크닉 적층 및 에너지 나노 복합 재료는 유사하지만, 연료와 산화제를 미세 입자로 섞지 않고 얇은 층으로 쌓는 방식이다. 재료와 층의 크기를 조절하여 반응 속도, 반응 개시 온도, 에너지 전달을 제어할 수 있다.[71]

나노 테르밋 재료의 핵심인 나노 크기 또는 초미립자(UFG[72]) 알루미늄 분말 제조법은 로스 알라모스 국립 연구소와 해군 수상전 센터에서 개발되었다. 2002년 당시에는 나노 크기 알루미늄 입자 제조가 어려웠고 상업적 재료도 제한적이었다.[68] 로렌스 리버모어 국립 연구소의 졸겔법을 사용하면 나노 크기 에너지 물질 혼합물을 만들 수 있으며, 초임계 추출법으로 다공질의 균일한 제품을 만들 수 있다.[68]

나노 크기 혼합물은 기존 테르밋보다 쉽게 점화되며, 니크롬선이나 레이저 펄스를 사용한다. 로스알라모스 연구소에서는 저전류 점화, 마찰, 충격, 열, 정전기 방전에 강한 슈퍼 테르밋 전기 점화기를 개발했다.[73] MIC는 뇌관이나 전기식 점화기의 납(스티프닌산 납·아지드화 납)을 대체하는 물질로 연구되고 있으며, 알루미늄-산화 비스무트(III) 기반 조성이 주로 사용된다. 페트리트(PETN)도 추가될 수 있다.[74][75] MIC는 폭발성을 증가시키는 방향으로 개량될 수 있으며,[76] 알루미늄은 에너지 수율을 높이기 위해 화약에 첨가되기도 한다. 소량의 MIC를 알루미늄 분말에 첨가하면 전체 연소율이 증가하여 연소율 개량제로 작용한다.[77]

테르밋 반응으로 금속 산화물과 금속이 생성되며, 혼합물 성분과 반응 온도에 따라 생성물은 고체, 액체, 기체 상태가 된다.[78] 로스알라모스 연구소의 슈퍼 테르밋 전기식 점화기는 소이탄이나 폭발물에 점화하는 열을 발생시킨다.[73]

3. 역사

테르밋 반응은 1893년에 발견되었고, 1895년에 독일의 화학자 한스 골트슈미트가 특허를 받았다.[10][11] 이 반응은 "골트슈미트 반응" 또는 "골트슈미트 공정"이라고도 불린다. 골트슈미트는 원래 제련 과정에서 탄소를 사용하지 않고 매우 순수한 금속을 생산하는 데 관심을 가졌지만, 곧 용접에서 테르밋의 가치를 발견했다.[12]

1899년 에센에서 트램 선로 용접에 처음 상업적으로 적용되었다.[13]

3. 1. 한국에서의 역사

한국에서는 주로 철도 레일 용접에 테르밋 반응이 활용되어 왔으며, '골드슈미트 용접'이라고 불린다.[12]

1943년경, "일본식 제철법"이라고 불리는 소동이 있었다. 어떤 발명가가 에도 강 상류에서 "사철과 알루미늄을 섞어 쌓아 올린 후, 그 위에 흙을 덮고 구멍을 낸 다음, 그 구멍으로 어떤 약액을 붓고 불을 붙이면, 그것만으로 훌륭하게 제련이 가능하다"는 것을 시연하였는데, 대일본제국 해군 공창의 재료 부장이 속아 도조 히데키 내각총리대신이 제국 의회에서 연설하여 정부 정책 중 하나가 되었다. 나카야 우키치로 등 학자들의 반대 운동[79]으로 이 정책은 미연에 방지되었다.[80]

4. 종류

테르밋은 다양한 금속 산화물을 사용하여 만들 수 있다. 가장 흔한 것은 산화 철(III)(Fe₂O₃)이지만, 산화 철(II,III)(Fe₃O₄)도 사용된다.[14][15][16][17] 때로는 MnO₂(망간 테르밋), Cr₂O₃(크롬 테르밋), SiO₂(실리콘 테르밋), CuO(구리 테르밋) 등이 특수한 목적에 사용되기도 한다.[17] 이들 반응에는 모두 알루미늄이 반응성 금속으로 사용된다. 플루오로폴리머는 특수 혼합물에 사용될 수 있는데, 테플론과 마그네슘 또는 알루미늄의 조합이 대표적이다. 마그네슘/테플론/비톤도 이러한 유형의 발화제이다.[18]

원칙적으로 알루미늄 대신 다른 반응성 금속을 사용할 수도 있지만, 다음과 같은 이유로 알루미늄이 가장 적합하다.


  • 부동태화 층을 형성하여 다른 반응성 금속보다 다루기 안전하다.[21]
  • 녹는점이 낮아(660 °C) 금속을 녹이기 쉽고, 반응이 주로 액체 상태에서 빠르게 진행된다.
  • 끓는점이 높아(2519 °C) 반응 온도를 매우 높게 유지할 수 있다. 철과 구리의 끓는점은 각각 2887 및 2582 °C로 높은 편이지만, 마그네슘(1090 °C)과 나트륨(883 °C)과 같은 반응성이 매우 큰 금속에 비하면 알루미늄의 끓는점이 더 높다.
  • 반응 결과 생성되는 산화 알루미늄의 밀도가 낮아 순수한 금속 위로 떠올라 용접 시 오염을 줄이는 데 도움이 된다.


테르밋은 실온에서 안정적이지만, 점화 온도까지 가열하면 매우 강한 발열 반응으로 연소된다. 생성물은 높은 온도(산화철(III)의 경우 최대 2500 °C) 때문에 액체 상태로 나타나지만, 실제 온도는 열이 주변으로 얼마나 빨리 빠져나가는지에 따라 달라진다. 테르밋은 자체적인 산소 공급원을 가지고 있어 외부 공기가 필요 없고, 어떤 환경에서도 점화될 수 있다. 물에 젖어도 잘 타며, 물로 쉽게 끌 수 없지만, 충분한 양의 물은 반응을 멈추게 할 수 있다.[22] 그럼에도 불구하고 테르밋은 수중 용접에 사용된다.[23]

테르밋 반응은 연소 중 가스 생성이 거의 없고, 높은 반응 온도와 용융된 슬래그를 생성하는 특징이 있다. 연료는 높은 연소열을 가져야 하며, 낮은 녹는점과 높은 끓는점을 가진 산화물을 생성해야 한다. 산화제는 최소 25%의 산소를 포함하고, 밀도가 높으며, 낮은 생성열을 가져야 하고, 금속은 낮은 녹는점과 높은 끓는점을 가져야 한다. 유기 바인더는 기계적 특성을 향상시키기 위해 첨가될 수 있지만, 발열 분해 생성물을 생성하여 반응열 손실과 가스 생성을 유발할 수 있다.[29]

반응 온도는 반응 결과를 결정한다. 이상적인 경우, 반응은 금속과 슬래그의 잘 분리된 용융물을 생성한다. 온도가 너무 낮으면 소결된 금속과 슬래그 혼합물이 생성되고, 온도가 너무 높으면 가스가 빠르게 생성되어 혼합물이 흩어지거나 폭발할 수 있다. 알루미늄 열 반응으로 금속을 생산할 때 이러한 효과를 상쇄할 수 있다. 온도가 너무 낮으면 적절한 산화제(예: 황)를 추가하여 높일 수 있고, 너무 높으면 적절한 냉각제나 플럭스(예: 플루오린화 칼슘)를 사용하여 낮출 수 있다. 플럭스가 너무 많으면 반응물이 연소를 유지할 수 없을 정도로 희석된다. 금속 산화물의 종류도 에너지 생성량에 큰 영향을 미치는데, 산화도가 높을수록 더 많은 에너지가 생성된다. 이산화 망간과 일산화 망간을 적절한 비율로 혼합하여 좋은 결과를 얻을 수 있다.[24]

반응 속도는 입자 크기로 조절할 수 있으며, 입자가 클수록 느리게 연소된다. 이 효과는 나노 테르밋에서 극단적으로 나타난다.

단열 과정에서 환경으로 열이 손실되지 않을 때 반응 온도는 헤스의 법칙을 사용하여 추정할 수 있다. 실제 조건에서는 열 손실로 인해 온도가 다소 낮아진다. 반응이 빠를수록 단열 조건에 가까워지고 온도가 높아진다.[25]

금속 산화물과 금속 알루미늄 분말 혼합물에 점화하면 알루미늄이 금속 산화물을 환원시켜 고온을 발생시킨다. 이 환원성과 고열로 인해 순수한 금속을 얻을 수 있으며, 탄소 연료를 사용하지 않아 생성 금속에 탄소가 포함되지 않는다. 알루미늄 분말과 얼음 미립자를 혼합해도 테르밋 반응이 일어난다. 알루미늄과 금속 산화물의 이온화 경향 차이가 클수록 더 많은 열이 발생한다. 예를 들어, 산화철(III)과 알루미늄의 반응식과 에너지는 다음과 같다.

  • 화학식: Fe2O3\ + 2Al -> Al2O3\ + 2Fe
  • 에너지: \Delta H^\circ = -851.5\ \rm{kJ/mol} (발생 열: 851.5kJ/mol)


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현재 크롬, 코발트, 망간, 바나듐 및 특수 합금철 야금 등에 이용된다. 과거부터 철 용접에 사용되었으며, '''Exothermic welding|테르밋 용접영어'''이라고도 불렸다. 산화철과 알루미늄 혼합물은 '''테르밋'''이라고 불린다. 복잡한 설비가 필요 없어 철도 선로 부설, 개수, 보수 등에서 레일 용접에 많이 사용된다. 일본철도(JR)(JR) 등에서는 "'''골드 서밋 용접'''"이라고 불린다.

테르밋 반응을 이용한 합금철로 페로몰리브덴이 있다. 페로몰리브덴은 삼산화 몰리브덴과 철의 합금이다. 현재 일본에서 페로몰리브덴을 제조하는 곳은 2개사뿐이며, 대부분 중화인민공화국이나 칠레에서 수입한다. 스테인리스강 등 특수강을 만드는 원료로 사용된다. 야금 외에도 고등학교 화학 I 무기 화학 분야에서 산화 환원 반응의 예로 교과서에 기재되며, 시연 실험으로 산화철 III-알루미늄 분말 테르밋 반응이 사용되기도 한다.

테르밋 반응은 고열과 빛을 내는 특징이 있어 군사 목적 소이탄에 이용된다. 테르밋에 화공품을 첨가하여 소이 목적으로 특화된 것을 '''서메트'''라고 한다. 독성이 낮고, 기존 고체 연료 로켓보다 안정성 및 저장성이 뛰어나 로켓 추진제로도 검토된다.

열역학적으로 안정적인 다양한 연료와 산화제 조합이 가능하다. 몇 가지 예는 다음과 같다.

연료산화제
알루미늄산화 몰리브덴(VI)
알루미늄산화 구리(II)
알루미늄산화 철(II,III)
안티몬과망간산 칼륨
알루미늄과망간산 칼륨
알루미늄산화 비스무트(III)
알루미늄산화 텅스텐(VI) 수화물
알루미늄불소 수지 (Magnesium/Teflon/Viton영어)
티타늄붕소 (연소하여 Titanium diboride영어)



군사용 연구에서는 알루미늄-산화 몰리브덴, 알루미늄-테플론, 알루미늄-산화 구리(II)가 유력하다.[68] 그 외에 시험된 조성으로는 나노 사이즈 트리메틸렌트리니트라민(RDX), 열가소성 엘라스토머, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 기타 불소계 수지를 Binder (material)영어로 사용한 것이 있다. 알루미늄과의 반응은 마그네슘 테르밋에 에너지 반응을 더한 것과 유사하다.[69]

알루미늄-과망간산 칼륨이 최대 맹도를 보이며, 알루미늄-산화 몰리브덴(VI)과 알루미늄-산화 구리(II)는 현저히 느리다. 알루미늄-산화 철(III)도 느리다.[70] 나노 입자는 용액의 분무 건조나 불용성 전구체를 분사하여 열분해하여 제조한다. 복합 재료는 졸겔법 또는 기존 혼합 및 압출로 제조된다.

유사하지만 본질적으로 다른 것으로는 나노 라미네이트 파이로테크닉 적층 및 에너지 나노 복합 재료가 있다. 연료와 산화제를 미세 입자로 만들어 섞지 않고 얇은 층을 적층한다. 다층 에너지 구조체는 에너지 증강 재료로 피복될 수 있다. 재료와 층 크기를 선택하여 반응 속도와 개시 온도, 불활성층을 삽입하여 에너지 전달을 제어할 수 있다.[71]

4. 1. 철 테르밋

철 테르밋은 가장 일반적인 테르밋 조성으로, 주로 산화 철(III) (Fe2O3, 녹) 또는 산화 철(II,III) (Fe3O4, 자철석)을 산화제로 사용한다.[14][15][16][17] 산화철(III)은 더 많은 열을 발생시키지만, 산화철(II,III)은 결정 구조로 인해 점화가 더 쉽다. 구리 또는 망간 산화물을 첨가하면 점화를 크게 개선할 수 있다.

일반적으로 준비된 테르밋은 밀도가 0.7 g/cm3 정도로 낮아 에너지 밀도가 낮고(약 3 kJ/cm3), 연소 시간이 빠르며, 갇힌 공기의 팽창으로 인해 용융 철이 분사될 수 있다. 하지만 테르밋을 최대 4.9 g/cm3 (거의 16 kJ/cm3)의 밀도로 압축하면 연소 속도가 느려지고(약 1 cm/s) 용융력이 높아진다.[26] 압축된 테르밋은 내열 케이스와 노즐이 있는 절단 장치로 사용할 수 있다.[27]

산소 균형을 이룬 철 테르밋(2Al + Fe2O3)은 이론상 최대 밀도가 4.175 g/cm3이고 단열 연소 온도가 3135 K (2862 °C 또는 5183 °F, 상 전이 포함, 철의 끓는점인 3135 K에 의해 제한됨)이다. 이때 알루미늄 산화물은 (잠시 동안) 용융되고 생성된 철은 대부분 액체이며, 일부는 기체 형태(테르밋 1kg당 78.4g의 철 증기)로 존재한다. 에너지 함량은 945.4 cal/g (3956 J/g)이고, 에너지 밀도는 16,516 J/cm3이다.[28]

발명 당시 혼합물은 밀 스케일 형태의 산화철을 사용했으나, 이 조성은 점화하기 매우 어려웠다.[29]

4. 2. 구리 테르밋

산화 구리(I)(Cu2O, 적색) 또는 산화 구리(II)(CuO, 흑색)를 사용하여 제조할 수 있다. 연소 속도가 매우 빠르고 구리의 녹는점이 비교적 낮기 때문에, 반응은 매우 짧은 시간 안에 상당한 양의 용융 구리를 생성한다. 구리(II) 테르밋 반응은 매우 빠를 수 있으며, 이는 일종의 플래시 파우더로 간주될 수 있다. 폭발이 일어나 구리 방울이 상당한 거리에 분사될 수 있다.[30]

산소 균형 혼합물은 이론상 최대 밀도 5.109 g/cm3, 단열 화염 온도 2843 K (상 전이 포함)을 가지며, 산화 알루미늄은 용융 상태이고 구리는 액체 및 기체 형태로 존재한다. 이 테르밋 1kg당 343 g의 구리 증기가 생성된다. 에너지 함량은 974 cal/g이다.[28]

구리(I) 테르밋은 두꺼운 구리 도체 용접(예: 캐드웰딩)과 같은 산업적 용도로 사용된다. 이러한 종류의 용접은 또한 고전류 시스템, 예를 들어 전기 추진 시스템에서 사용하기 위해 미국 해군 함대에서 케이블 접합에 대해 평가되고 있다.[31]

4. 3. 테르메이트

테르메이트는 염 기반 산화제(일반적으로 질산 바륨과 같은 질산염, 또는 과산화물)를 첨가한 테르밋이다.[29] 테르밋과 달리 테르메이트는 불꽃과 가스를 내뿜으며 연소한다. 산화제가 있으면 혼합물이 더 쉽게 점화되고, 연소하는 조성물이 목표물을 더 잘 관통한다. 이는 발생하는 가스가 용융된 슬래그를 분사하고 기계적으로 교반하기 때문이다.[29] 테르메이트는 테르밋보다 소이 목적 및 암호 장치와 같이 민감한 장비의 긴급 파괴에 더 적합하다. 테르밋은 효과가 더 국소적이기 때문이다.

5. 활용

테르밋은 크롬, 코발트, 망간, 바나듐 및 특수한 합금철의 야금 등에 이용된다.

철 용접에는 과거부터 사용되었으며, '''Exothermic welding|테르밋 용접영어'''이라고도 불린다. 이때 사용하는 산화철과 알루미늄의 혼합물을 '''테르밋''' (thermit)이라고 부르는 경우가 있다. 철도 선로의 부설·개수·보수 등에서 레일 용접에 사용되는 방법으로, 복잡한 설비가 필요하지 않다. 일본철도(JR)(JR) 등에서는 "골드슈미트 용접"이라고 불린다.

테르밋 반응을 이용한 합금철로는 페로몰리브덴이 있다. 페로몰리브덴은 삼산화 몰리브덴과 철의 합금이다. 현재 일본에서 페로몰리브덴을 제조하는 곳은 2개사뿐이며, 대부분은 중화인민공화국이나 칠레에서 수입하고 있다. 스테인리스강 등의 특수강을 만드는 원료로 사용된다.

야금 이외의 용도로는 교육 분야에서 고등학교 화학 I의 무기 화학 분야에서 산화 환원 반응의 예시로 교과서에 기재되는 경우가 있으며, 시연 실험으로 산화철 III-알루미늄 분말 테르밋 반응이 사용되기도 한다.

테르밋 반응은 고열과 빛을 발하는 특징이 있어, 군사 목적으로는 소이탄에 이용되고 있다. 테르밋에 화공품을 첨가하여 소이 목적으로 특화된 것을 '''서메트'''라고 부르는 경우가 있다. 또한, 구성 물질의 독성이 낮고, 기존의 고체 연료 로켓보다 안정성 및 저장성이 뛰어나 로켓 등의 추진제로도 검토된다.

5. 1. 금속 제련

크롬, 코발트, 망간, 바나듐 등 특수 금속 및 합금철 야금에 사용된다. 탄소를 사용하지 않아 순수한 금속을 얻을 수 있다.[4] 금속 산화물과 금속 알루미늄 분말 혼합물에 점화하면 알루미늄이 금속 산화물을 환원시키면서 고온을 발생시키는데, 이 환원성과 고열로 인해 목적하는 금속 덩어리는 하부에 침강하여 순수한 금속을 얻을 수 있다.[4]

5. 2. 용접

테르밋은 기관차의 차축 프레임과 같이 두꺼운 강철 부품을 현장에서 용접하여 수리하는 데 사용할 수 있으며, 부품을 설치된 위치에서 제거하지 않고 수리를 수행할 수 있다.[38]

테르밋은 복잡하거나 무거운 장비 없이 철도 레일과 같은 강철을 신속하게 절단하거나 용접하는 데 사용된다.[39][40] 철 용접에는 과거부터 사용되었으며, '''테르밋 용접'''(Exothermic welding|영어)이라고도 불린다. 이때 사용하는 산화철과 알루미늄의 혼합물을 '''테르밋'''(thermit)이라고 부르는 경우가 있다. 테르밋 용접은 복잡한 설비 없이 철도의 선로 부설, 개수, 보수 등에서 레일을 용접할 때 많이 사용된다. 일본철도(JR)(JR) 등에서는 "골드슈미트 용접"이라고 불린다.

철도 용접에 사용되는 테르밋 반응. 직후 액체 철이 레일 간극 주변의 몰드로 흘러 들어간다.

5. 3. 군사적 용도

테르밋 수류탄과 폭약은 군대에서 대물자 역할 및 장비 파괴에 사용된다. 특히, 적에게 노출될 위험이 있을 때 암호화 장비를 긴급 파괴하는 데 사용될 수 있다.[50][51]

일반적인 철 테르밋은 점화가 어렵고 불꽃이 거의 없으며 작용 반경이 작아, 단독으로 소이 조성물로 사용되는 경우는 드물다. 보통 소이 효과를 높이기 위해 다른 성분과 함께 사용되는데, Thermate-TH3는 테르밋과 불꽃 혼합물의 혼합물로 소이 목적에 우수한 것으로 알려져 있다.[53] Thermate-TH3는 중량 기준으로 약 68.7%의 테르밋, 29.0%의 질산 바륨, 2.0%의 유황, 0.3%의 결합제(예: PBAN)로 구성된다.[53] 질산 바륨은 테르밋의 열 효과를 증가시키고, 더 큰 불꽃을 발생시키며, 점화 온도를 낮춘다.[53]

테르밋은 포병 무력화에도 사용될 수 있다. 포미에 테르밋 수류탄을 넣어 포미를 용접하면 무기 장전을 불가능하게 만들 수 있다.[55] 이는 폭발물을 사용하지 않고 포병을 영구적으로 무력화할 수 있는 방법으로, 프앙트 뒤 혹, 노르망디 등에서 사용되었다.[54]

제2차 세계 대전 중에는 독일군과 연합군 모두 테르밋 혼합물을 사용한 소이탄을 사용했다.[56][57] 소이탄은 주로 마그네슘 퓨즈로 점화되는 수십 개의 얇은 테르밋 충전 용기(폭탄)로 구성되었으며, 야간 공습 등에 사용되어 도시 파괴에 큰 영향을 미쳤다.

최근 러시아의 우크라이나 침공에서는 우크라이나 육군이 테르밋 탄약을 장착한 드래곤 드론을 러시아군 상대로 사용했다.[58]

5. 4. 기타 용도

테르밋 반응은 폭발물은 아니지만, 매우 좁은 영역을 극도로 높은 온도로 가열하여 금속 부품을 절단하거나 용접하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 기관차 차축 프레임과 같이 두꺼운 강철 부품을 현장에서 용접하거나, 철도 레일과 같은 강철을 신속하게 절단 및 용접하는 데 사용된다.[38][39][40]

테르밋은 콘크리트 대신 유정을 밀봉하는 데 사용되기도 한다. 테르밋은 환경 친화적이며, 적절한 농도의 혼합물은 주변 환경에 대한 손상을 줄이면서 유정을 효과적으로 밀봉할 수 있다.[45][46][47]

교육 분야에서는 고등학교 화학에서 산화 환원 반응의 예시로 테르밋 반응 시연 실험이 사용되기도 한다.

또한, 분말 형태의 알루미늄과 미세한 얼음 입자를 혼합한 ALICE 추진제는 테르밋 반응을 통해 로켓 추진력을 공급하는 데 사용된다.

6. 위험성

테르밋 사용은 매우 높은 온도와 일단 시작되면 반응을 멈추기가 극도로 어렵기 때문에 위험하다. 반응에서 나오는 소량의 용융 철은 상당한 거리를 이동할 수 있으며, 금속 용기를 녹여 내용물을 점화시킬 수 있다. 끓는점이 낮은 가연성 금속이 테르밋 반응 근처에 있으면 과열된 끓는 금속이 공중으로 격렬하게 분사될 수 있다.[59]

테르밋이 유기물 등으로 오염된 경우 반응 생성물이 분사될 수 있다. 또한 테르밋 혼합물에 공기가 충분하고 빠르게 연소될 경우 과열된 공기가 혼합물을 분사할 수 있다. 이러한 이유로 반응 속도가 적당하고 뜨거운 가스가 빠져나갈 수 있도록 비교적 조잡한 분말을 사용하는 것이 좋다. 점화 전 테르밋을 예열하는 것은 사고로 이어질 수 있으며, 뜨거운 슬래그 위에 새로운 테르밋을 쏟으면 즉시 연소되어 화상과 눈 손상을 유발할 수 있다.

테르밋 반응은 작업자가 연삭 숫돌과 철 금속을 사용하는 산업 현장에서 우발적으로 발생할 수 있다. 알루미늄을 사용하면 폭발적인 산화물 혼합물이 생성될 수 있다.[59] 테르밋에 물을 섞거나 타는 테르밋에 물을 부으면 증기 폭발이 일어나 뜨거운 파편이 사방으로 분사될 수 있다.[60]

테르밋 반응은 위험한 자외선을 방출하므로, 작업자는 자외선 보호 안경을 착용해야 한다.

7. 문화 속 테르밋

브레이킹 배드의 에피소드 "거친 짓은 절대 안 돼"에서, 월터 화이트는 화학 공장에서 메틸아민 드럼을 훔치기 위해 테르밋을 사용하여 보안 잠금 장치를 태웠다.[63]

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