テルミット反応とは、アルミニウムの粉と金属酸化物を混ぜて点火し、アルミニウムが酸素を奪って金属の単体を取り出す酸化還元反応です。酸化鉄の場合は 2Al＋Fe2O3→Al2O3＋2Fe で表され、反応熱で生成物が2,000℃を超え、鉄が溶けた状態で得られます。
これほど高温になるのは、アルミニウムが酸素と結び付いて酸化アルミニウムになるときの熱が、酸化鉄の生成熱よりずっと大きいためです。溶けた鉄やスラグが飛び散る危険な反応ですが、その熱と溶けた鉄は鉄道レールの現地溶接や金属クロムの製造に使われています。
この記事では、反応式と酸化数の変化、反応熱の検算となぜ高温になるのか、危険と言われる理由を順に整理します。続いて、レールのテルミット溶接や金属製造での使われ方と、扱うときの法令上の決まりを見ていきます。
テルミット反応とは
テルミット反応は、ひと言でいえばアルミニウムを還元剤にした酸化還元反応です。酸化鉄や酸化銅、酸化クロムのような金属酸化物とアルミニウムの粉を混ぜて点火すると、アルミニウムが酸素を受け取って酸化アルミニウムになり、相手の金属が単体として残ります。
代表例は酸化鉄（Ⅲ）で、アルミニウムは酸化アルミニウムに、酸化鉄（Ⅲ）は鉄の単体になります。反応式と、それぞれの原子の酸化数の変化は次のとおりです。
酸化数で見ると、アルミニウムは電子を失って酸化され、鉄は電子を受け取って還元されています。つまりこの反応ではアルミニウムが還元剤、酸化鉄（Ⅲ）が酸化剤として働き、鉄鉱石から鉄をつくる高炉で一酸化炭素が担う役割を、アルミニウムが受け持っている形です。
酸素は、結び付きの弱い鉄から、結び付きの強いアルミニウムへ移ります。
※原子の並びは模式的に描いたもので、結晶の構造を表すものではありません。
相手の酸化物は酸化鉄に限りません。酸化銅（Ⅱ）でも同じように反応し、銅の単体が取り出せます。アルミニウムより酸素と結び付きにくい金属の酸化物なら、原理は同じです。
反応式に出てくる酸化鉄（Ⅲ）は赤さびの主成分に近い物質で、黒さびの Fe3O4 とは色も磁性も違います。赤錆と黒錆の磁性の違いを知っておくと、反応のあとにできた塊が磁石につく意味もつかみやすくなります。
テルミット反応のメカニズム
テルミット反応は、点火すると強い光を放ちながら一気に進み、多量の熱を出します。反応が終わると溶けた鉄が下にたまり、冷えて固まった塊は磁石につきます。この一連の現象を、熱が大きい理由、反応の進み方、危険な理由の3つに分けて見ていきます。
なぜ高温になるのか：酸化アルミニウムの生成熱
反応熱は、生成物と反応物の標準生成エンタルピー（物質を単体からつくるときの熱）の差で求められます。米国の国立標準技術研究所（NIST）の値を使って計算すると、反応式どおり鉄2 molができるごとに約850 kJの熱が出ることが分かります。
熱が大きい理由は、酸素1 molあたりの生成熱で比べると見えてきます。酸化アルミニウムは酸素原子1 molあたり約559 kJ、酸化鉄（Ⅲ）は約275 kJで、アルミニウムのほうが約2倍の熱を出して酸素と結び付きます。そのため酸素が鉄からアルミニウムへ移ると、差の分が熱として出てきます。
同じ鉄2 molを得る反応でも、高炉で一酸化炭素を還元剤に使う場合とは熱の出方がまるで違います。生成エンタルピーで計算すると、一酸化炭素による還元の反応熱はわずか約23 kJで、テルミット反応はその約36倍です。
高炉では、コークスを燃やす熱で炉の中を高温に保ち、そのうえで一酸化炭素が還元を受け持ちます。仕組みは溶鉱炉（高炉）と転炉の反応式で整理しており、テルミット反応は外から熱を足さなくても、還元そのものが大きな熱源になる点が違います。
出た熱がどこまで温度を上げるかは、別の計算になります。テルミット反応は気体をほとんど出さないため、熱の大半が生成物の鉄と酸化アルミニウムを温め、溶かすことに使われます。
周りへ熱が逃げない前提で計算した理論上の到達温度は、米国のサンディア国立研究所の報告で約3,135 K（約2,860℃）です。熱の一部は鉄や酸化アルミニウムを溶かすことにも使われるため、反応熱をそのまま温度に換算した値より低くなります。
実際の溶接現場では、るつぼや周りの空気に熱が逃げるので理論値までは上がりません。それでも新日鉄住金（現 日本製鉄）の技報によると、生成した溶鋼とアルミナのスラグは2,000℃以上になり、鉄の融点の1,538℃を大きく超えるため、鉄は溶けた液体として得られます。
反応熱は物質がもつエネルギーの差として表され、熱と温度の関係はエンタルピーとは何かから押さえると整理しやすくなります。熱の出入りを数字で追えるようになると、ほかの反応でも高温になるかどうかの見当がつけられます。
反応熱・理論温度・現場の温度・反応時間は、それぞれ条件の違う数字です。
※反応熱は NIST の生成エンタルピーからの計算、理論温度は Sandia 国立研究所（SAND-98-1176C、1998年）、現場の温度と反応時間は新日鉄住金技報 第395号（2013年）によります。
反応はどう進むか：点火・発光と、鉄が下にたまる理由
これほど大きな熱を出す反応でも、混ぜただけでは始まりません。アルミニウムの粒の表面は薄く緻密な酸化皮膜に覆われているので、反応を始めるには局所的にかなりの高温を与える着火材が必要で、レールの溶接では専用の着火材を使います。
いったん一部が反応すると、その熱が隣の粉を次々に反応温度まで押し上げ、外から熱を足さなくても反応が自分で進んでいきます。生成物が白く輝くほど高温になるため、反応中はまぶしい光を放ちます。
反応が終わると、溶けた鉄と溶けた酸化アルミニウム（スラグ）は密度の違いで上下に分かれ、重い鉄が下にたまります。冷えて固まった下の塊が磁石につくのは、それが還元されてできた金属の鉄だからで、酸化アルミニウムは磁石につきません。
「超危険」と言われる理由
テルミット反応が危険とされる理由は、温度の高さだけではありません。反応に空気が要らないことや、水との組み合わせで被害が広がることも含め、性質に由来する4つの理由に整理できます。
高温・止められない・水との反応・飛散と光の4つが重なります。
中でも誤解されやすいのが水です。溶けた高温の金属やスラグに水が触れると、水が一気に気化して体積が膨らむ水蒸気爆発が起き、溶融物ごと周囲に飛び散ります。燃えているからといって水をかけるのは逆効果で、溶けた金属を扱う工場では水を近づけないことが基本です。
反応前の原料にも水は禁物で、厚生労働省の化学物質の安全情報では、アルミニウムは水と接触すると可燃性のガスを出すとされています。危険の原因が分かれば対策も見えてくるので、現場での管理と法令は後の章でまとめます。
実際の現場では：鉄道レールのテルミット溶接
テルミット反応を工業技術にしたのは、ドイツの化学者ハンス・ゴルトシュミットで、1890年代にアルミニウムで金属酸化物を還元する方法を研究し、1895年にドイツで特許を取得しました。
1899年にはエッセンの路面電車で最初のテルミットによる軌道溶接が行われ、いまもレールの溶接法の一つとして世界で使われています。
鉄道では、継ぎ目の段差で車輪が受ける衝撃を和らげるため、レールを溶接でつないだロングレールが世界的に普及しており、最終的な長さは鉄道会社によって異なりますが、通常は1,000 m以上になります。工場である程度の長さまで溶接したあと、敷設する現地で最終的につなぐ必要があり、ここでテルミット溶接が活躍します。
現地で使いやすい理由は、大きな電源や重い加圧装置が要らず、予熱バーナーやるつぼ、鋳型などの小さな機材を線路内に持ち込めるからです。新日鉄住金技報（2013年）が示すJRの1988〜2007年度の施工実績では、テルミット溶接が約4割で最も多くなっています。
反応でできた溶鋼をレールのすき間に流し込み、固まったら余分を削ります。
※新日鉄住金技報 第395号（2013年）の説明を概要として図にしたもので、作業手順書ではありません。実際の施工は鉄道会社・メーカーの基準と専用の資材で行います。
溶接に使う粉（テルミット溶材）には、酸化鉄とアルミニウムのほか、フェロマンガンなどの合金を加えます。流し込む鉄の成分をレールの鋼に近づけるためで、レールの断面をそのまま埋めるだけでなく、強さや硬さもそろえる工夫です。
硬さをそろえる工夫は、溶接後の熱の入り方にも及びます。溶接で熱を受けた部分は母材より軟らかくなりやすいため、熱処理されたレールでは、溶接部をもう一度加熱して空気で急冷する方法が使われてきました。鋼の硬さと温度の関係は焼入れ・焼戻しなど鋼の熱処理の基本で解説しています。
最近は、溶接したままでレールと同じ硬さが出るよう成分を調整した溶材が実用化され、作業時間が短くなっています。傷んだ部分を約75 mm切り取り、幅の広い鋳型でテルミット溶接して直すワイドギャップ法という補修にも使われます。
4つのレール溶接法の違い
レールの溶接には、テルミット溶接のほかにフラッシュバット溶接、ガス圧接、エンクローズアーク溶接があり、国内では工場と現地で使い分けています。新日鉄住金技報の比較をもとに、それぞれの特徴を表にまとめました。
| 溶接法 | 主な場所（国内） | 原理 | 溶接時間 | 熟練技能 | 特徴 |
|---|---|---|---|---|---|
| フラッシュバット溶接 | 工場 | レール端に電流を流して溶かし、押し付けて接合 | 最も短い | 不要（自動化） | 品質が高いが、装置が大きく初期投資が大きい |
| ガス圧接 | 工場・現地 | ガスで加熱し、押し付けて接合 | 短い | 加熱に必要 | 品質が高く、国内で広く使われる |
| テルミット溶接 | 現地 | テルミット反応でできた溶鋼を流し込む | 中程度（約30分） | 不要 | 機材が小さく機動性が高い。レールの長さが変わらない |
| エンクローズアーク溶接 | 現地 | 銅の当て金で囲み、アーク溶接で盛る | 最も長い | 高度な技能が必要 | 器材が小さく、分岐器まわりの狭い場所に向く |
押し付けてつなぐ圧接法は溶接でレールの長さが変わるのに対し、テルミット溶接やエンクローズアーク溶接は溶かした金属で埋めるのでレールの長さが変わりません。敷設したレールを最後につなぐ現地溶接では、この性質が大きな利点になります。
一方で、溶かした金属で埋める溶接は、微小な気泡やスラグの巻き込みといった欠陥を完全には避けにくく、圧接法のほうが折損率が低いという報告もあります。一般的な溶接法の種類と考え方はTIG・MIG・被覆アークなど溶接の種類と違いで整理しています。
金属クロムの製造と発熱溶接：溶接以外の使い道
テルミット反応の使い道は、大きく2つに分かれます。1つは酸化物から金属そのものを取り出す使い方で、もう1つは反応でできた溶けた金属と熱を使って金属同士をつなぐ使い方です。レールの溶接は後者の代表例です。
前者はアルミノテルミー（テルミット法）と呼ばれる冶金法で、クロムやマンガンなどの金属をつくるのに使われてきました。ゴルトシュミットの会社の沿革でも、1895年のテルミット法によって、鉄・クロム・マンガンなどの炭素を含まない金属がつくれるようになったと説明されています。
炭素ではなくアルミニウムを還元剤に使うのは、高炉の銑鉄が炭素を約4.5％含むように、炭素で還元すると金属に炭素が残るからです。炭素を嫌う用途向けの金属クロムは、ステンレス鋼や耐熱合金の原料になり、成分の考え方はSUS304・SUS316などステンレスの種類で紹介しています。
一方で、アルミニウムは電気分解でしかつくれない、電力を多く使う素材です。鉄のように大量に使う金属をテルミット反応でつくると還元剤のほうが高くつくため、使われるのは炭素を残したくない金属や、炭素で還元しにくい金属に限られます。
還元剤のアルミニウムそのものがどうつくられるかはアルミナの融解塩電解で解説しており、製錬に大量の電力を使うことがテルミット反応の用途を絞る理由にもなっています。
金属を取り出す使い方と、溶けた金属と熱で金属をつなぐ使い方があります。
※発熱溶接の薬剤の組成は製品によって異なります。
後者の「つなぐ」使い方には、電気設備の接地（アース）に使う発熱溶接（エキゾサーミック溶接）もあります。黒鉛の型の中で発熱反応を起こし、できた溶けた金属で銅線同士や銅線と鋼材を一体にする方法で、米国の nVent ERICO 社は外部の電源や熱源が要らないことを特長に挙げています。
同社は、ボルトで締める接続と違って緩まず腐食しない接合になるとしており、長い年月にわたって電気を確実に流したい接地の工事で使われます。接地の考え方そのものはシールドケーブルの正しい接地方法でも触れています。
テルミット反応を扱うときの安全と法令
工場や現場でテルミット反応に関わる材料を扱うときは、反応の危険とは別に、原料の保管や作業場所の管理で守るべき決まりがあります。対象と場面ごとに分けると、次の3つが基本です。
- 原料の保管量（消防法）：アルミニウムの粉は「金属粉」、鉄の粉は「鉄粉」として、消防法の第2類危険物（可燃性固体）にあたる（粒度の大きいものは除外される）。指定数量以上は許可を受けた施設でしか貯蔵・取り扱いができない
- 原料と水（化学物質の安全情報）：アルミニウムは水と接触すると可燃性のガスを出すため、湿気を避けて密閉して保管する
- 溶けた高熱の鉱物と水（労働安全衛生規則）：溶融した高熱の鉱物（溶融高熱物）を扱う設備では、水蒸気爆発を防ぐため、水がたまったり湿ったりしていないことを確かめてから作業する
消防法の指定数量は、鉄粉が500 kgで、金属粉は燃えやすさの試験の結果によって100 kgか500 kgになります。指定数量以上は許可を受けた製造所・貯蔵所・取扱所でしか扱えず、指定数量未満でも、貯蔵や取扱いの基準は市町村の火災予防条例が定めます。
労働安全衛生規則（第249〜251条）は、溶融高熱物を扱うピットに地下水や雨水が入らない構造や、建屋の床に水がたまらない構造を求めています。製鉄所のような設備が主な対象で、線路上の溶接にそのまま当てはまるかは条文からは分かりませんが、水が危険を大きくする点は同じです。
レールの溶接で鋳型とレールを予熱するのも付着水による気泡を防ぐためで、水分を遠ざけることが品質と安全の両方に効きます。
実際の作業では、こうした法令に加え、使う製品の安全データシート（SDS）と作業手順をもとに危険を洗い出します。進め方は工場のリスクアセスメントのやり方で、職場の安全管理の全体像は製造業の職場環境と安全衛生で整理しています。
テルミット反応のよくある質問
テルミット反応は発熱反応ですか、吸熱反応ですか？
発熱反応です。酸化鉄の場合、反応式どおりの量で約850 kJの熱を出し、エネルギー図では生成物（Al2O3＋2Fe）が反応物（2Al＋Fe2O3）よりずっと低い位置に描かれます。点火に高い温度が要るのは、反応を始めるための活性化エネルギーの山を越える必要があるためです。
酸化鉄や酸化銅以外の酸化物でもテルミット反応は起きますか？
アルミニウムより酸素と結び付きにくい金属の酸化物なら起き、酸化クロムや酸化マンガンを還元する金属製造がその例です。反対に、アルミニウムより強く酸素と結び付いている金属の酸化物は、ふつうの条件ではアルミニウムで還元できません。
テルミット反応でできた鉄はなぜ磁石につくのですか？
反応でできるのが金属の鉄だからです。原料の酸化鉄（Ⅲ）の粉は磁石にほとんど引き寄せられませんが、還元された鉄は強い磁性を持つため、反応後の塊を磁石に近づけると鉄ができたことを確かめられます。
テルミット溶接はどんな鉄道で使われていますか？
日本では、敷設した現地でレールをつなぐ方法としてテルミット溶接やガス圧接、エンクローズアーク溶接が使われ、JRの1988〜2007年度の施工実績ではテルミット溶接が約4割で最も多くなっています。海外でも、工場はフラッシュバット溶接、現地はテルミット溶接という組み合わせが主流です。
まとめ
- テルミット反応は、アルミニウムが金属酸化物から酸素を奪って金属の単体を取り出す酸化還元反応で、酸化鉄では 2Al＋Fe2O3→Al2O3＋2Fe
- 反応熱は NIST の生成エンタルピーで約850 kJ（混合物1 gあたり約4.0 kJ）で、Al2O3 の生成熱が Fe2O3 よりずっと大きいことが高温の理由
- 理論上の到達温度は約2,860℃、実際の溶接でも2,000℃以上になり、空気を断っても止まらず、水に触れると水蒸気爆発の危険がある
- 1890年代にゴルトシュミットが実用化し、レールの現地溶接で世界的に使われる。JRの施工実績（1988〜2007年度）でも最多で、レールの長さが変わらない点が強み
- 金属クロムなど炭素を含まない金属の製造や接地線の発熱溶接にも使われ、原料のアルミ粉・鉄粉は消防法の危険物として管理する
テルミット反応は、酸化還元と生成熱という化学の基本が、鉄道の保線や金属の製造、電気設備の工事にそのまま生きている例です。同じ「酸素を奪う」反応を電気で行う方法は銅の電解精錬の原理でも見られ、素材産業の全体像は次の記事で整理しています。
出典
出典・参考資料（13件）を開く出典・参考資料を閉じる
- Al2O3 の生成エンタルピー：NIST Chemistry WebBook「Aluminum oxide（corundum）」
- Fe2O3 の生成エンタルピー：NIST-JANAF Thermochemical Tables「Iron Oxide, Hematite（Fe2O3）」
- Cr2O3 の生成エンタルピー：NIST Chemistry WebBook「Chromium(III) oxide」
- CO・CO2 の生成エンタルピー：NIST Chemistry WebBook「Carbon monoxide」、同「Carbon dioxide」
- 理論上の到達温度・反応熱：S. H. Fischer, M. C. Grubelich「Theoretical energy release of thermites, intermetallics, and combustible metals」Sandia National Laboratories, SAND-98-1176C（1998年）
- 鉄の融点：PubChem「Iron」
- レールの溶接：新日鉄住金技報 第395号（2013年）「レールの溶接技術の動向と今後の展開」
- ゴルトシュミットとテルミット法の歴史：Goldschmidt「From the past to the present」
- テルミット法（冶金）：コトバンク「テルミット法」（日本大百科全書ほか）
- 発熱溶接：nVent ERICO「Cadweld Introduction」、同「A Basic Overview of Exothermically Welded Connections」（黒鉛の型）
- 消防法の危険物：e-Gov 法令検索「消防法」（第9条の4・第10条・別表第一）、同「危険物の規制に関する政令」（別表第三）
- アルミニウムと水：厚生労働省 職場のあんぜんサイト「アルミニウム」GHS ラベル情報
- 水蒸気爆発の防止：e-Gov 法令検索「労働安全衛生規則」（第249条〜第251条）
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