Карботермические реакции включают восстановление веществ, часто оксидов металлов ( ), с использованием углерода в качестве восстановителя . Эти химические реакции обычно проводятся при температуре в несколько сотен градусов по Цельсию. Такие процессы применяются для производства элементарных форм многих элементов. Способность металлов участвовать в карботермических реакциях можно предсказать из диаграмм Эллингема . [1]
Карботермические реакции производят монооксид углерода, а иногда и диоксид углерода . Легкость этих преобразований объясняется энтропией реакции: два твердых вещества, оксид металла и углерод, превращаются в новое твердое вещество (металл) и газ (CO), причем последний имеет высокую энтропию.
Приложения [ править ]
Ярким примером является выплавка железной руды . Участвует много реакций, но упрощенное уравнение обычно отображается как:
- 2 Fe
2О
3+ 3C → 4Fe + 3 CO
2
В более скромных масштабах около 1 миллиона тонн элементарного фосфора ежегодно производится карботермическими реакциями. [2] Фосфат кальция (фосфатная руда) нагревается до 1200–1 500 ° C с помощью песка, который в основном состоит из SiO.
2, и кокс (нечистый углерод) для производства P
4. Химическое уравнение этого процесса, если начать с фторапатита , обычного фосфатного минерала, выглядит следующим образом:
- 4 Ca
5(PO
4)
3F + 18 SiO
2 + 30C → 3 P
4 + 30CO + 18 CaSiO
3 + 2 CaF
2
Исторический интерес представляет процесс Леблана . Ключевым шагом в этом процессе является восстановление сульфата натрия углем: [3]
- Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2
Затем Na 2 S обрабатывают карбонатом кальция с получением карбоната натрия , товарного химического вещества .
Недавно разработка карботермического магниевого процесса «MagSonic» возродила интерес к его химии: [4]
- MgO + C ↔ Mg + CO
Реакция легко обратима за счет паров продукта и требует быстрого охлаждения, чтобы предотвратить обратную реакцию .
Варианты [ править ]
Иногда карботермические реакции сочетаются с другими превращениями. Одним из примеров является хлоридный процесс отделения титана от ильменита , основной руды титана. В этом процессе смесь углерода и измельченной руды нагревается до 1000 ° C в потоке газообразного хлора , что дает тетрахлорид титана :
- 2 FeTiO
3 + 7 кл
2 + 6C → 2 TiCl
4+ 2 FeCl
3 + 6CO
Для некоторых металлов карботермические реакции не дают металл, а вместо этого дают карбид металла . Такое поведение наблюдается для титана, отсюда и использование хлоридного процесса . Карбиды также образуются при высокотемпературной обработке Cr
2О
3с углеродом. По этой причине в качестве восстановителя используется алюминий .
Ссылки [ править ]
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8. «Рис. 8.19. Диаграмма Эллингема для свободной энергии образования металлических оксидов» стр. 308
- ^ Diskowski, Герберт; Хофманн, Томас (2005). «Фосфор». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a19_505 . ISBN 9783527306732.
- ^ Кристиан Тиме (2000). «Карбонаты натрия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a24_299 . ISBN 978-3527306732.
- ^ Прентис, Леон; Нэгл, Майкл (2012). "Карботермическое производство магния: процесс MagSonic CSIRO". В Матхаудху (ред.). Магниевые технологии 2012 . Чам: Спрингер. DOI : 10.1007 / 978-3-319-48203-3_6 . ISBN 9783319482033.
