Карботермия
Карботермические реакции включают восстановление веществ, часто оксидов металлов , используя углерод в качестве восстановителя . Эти химические реакции обычно проводятся при температуре в несколько сотен градусов Цельсия. Такие процессы применяются для изготовления элементных форм многих элементов. Карботермические реакции бесполезны для некоторых оксидов металлов, таких как натрий и калий. Способность металлов участвовать в карботермических реакциях можно предсказать из диаграмм Эллингема .
Карботермические реакции производят окись углерода и иногда углекислый газ . Возможность этих преобразований объясняется энтропией реакции: два твердых вещества, оксид металла и углерод, превращаются в новое твердое вещество (металл) и газ (СО), причем последнее имеет высокую энтропию. Тепло требуется для карботермических реакций, потому что в противном случае диффузия реагирующих твердых веществ идет медленно.
Примеры
Ярким примером является плавка железной руды . Многие реакции участвуют, но упрощенное уравнение обычно отображается как:
2 Fe2 O3 + 3C → 4Fe + 3CO2
В более скромных масштабах около 1 миллиона тонн элементарного фосфора производится ежегодно карботермическими реакциями. Фосфат кальция (фосфатная порода) нагревают до 1200–1500 ° C с помощью песка, в основном SiO
и кокс (нечистый углерод) для производстваP
Химическое уравнение для этого процесса при запуске с фторапатитом, обычным фосфатным минералом, имеет вид:
Ca5 (PO)3 F + 18SiO
2 + 30C → 3P
4 + 30CO + 18CaSiO
3 + 2CaF
2
Исторический интерес представляет процесс Леблана . Ключевым этапом в этом процессе является восстановление сульфата натрия углем: [3]
Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2
Затем Na 2 S обрабатывают карбонатом кальция с получением карбоната натрия , товарного химического вещества .
Вариации
Иногда карботермические реакции связаны с другими превращениями. Одним из примеров является хлоридный процесс отделения титана от ильменита , основной руды титана. В этом процессе смесь углерода и измельченной руды нагревают при 1000 ° С в потоке газообразного хлора , получая тетрахлорид титана :
2 FeTiO3 + 7CL2 + 6C → 2TiCl4 + 2FeCl3 + 6CO
Для некоторых металлов карботермические реакции не дают металла, а вместо этого дают карбид металла . Такое поведение наблюдается для титана, следовательно, используется хлоридный процесс . Карбиды также образуются при высокотемпературной обработке Cr2O3 с углеродом. По этой причине в качестве восстановителя используется алюминий.