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 Fe₂O₃ + 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 производства P.

Химическое уравнение для этого процесса при запуске с фторапатитом, обычным фосфатным минералом, имеет вид:

Ca₅(PO)₃F + 18SiO

2 + 30C → 3P

4 + 30CO + 18CaSiO

3 + 2CaF

2

Исторический интерес представляет . Ключевым этапом в этом процессе является восстановление сульфата натрия углем: [3]

Na₂SO₄ + 2C → Na₂S + 2CO₂

Затем Na₂S 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.