Карботермическая реакция
Карботермические реакции сопровождаются восстановлением веществ, часто оксидов металлов (O 2- ), используя углерод (С) в качестве восстановителя . Восстановление обычно проводится в электродуговой или отражательной печи , в зависимости от металлической руды. Эти химические реакции обычно проводятся при температуре в несколько сотен градусов Цельсия. Такие процессы применяются для получения элементарных форм многих элементов. Способность металлов участвовать в карботермических реакциях можно прогнозировать по диаграммам Эллингема . [1]
Карботермические реакции производят окись углерода (СО), а иногда и диоксид углерода (СО 2 ). Легкость этих преобразований объясняется энтропией реакции : два твердых вещества, оксид металла (и флюс) и углерод, превращаются в новое твердое вещество (металл) и газ (CO x ), причем последний имеет высокую энтропию.
Приложения
[ редактировать ]Ярким примером является выплавка железной руды . Здесь задействовано множество реакций, но упрощенное уравнение обычно изображается так:
- 2 Фе
22О
3 + 3С → 4Fe + 3CO 2
В более скромных масштабах ежегодно в результате карботермических реакций производится около 1 миллиона тонн элементарного фосфора. [2] Фосфат кальция (фосфатная руда) нагревается до 1200–1500 ° C с песком, состоящим в основном из SiO.
2 и кокс (примесный углерод) для производства P
4 . Химическое уравнение этого процесса при использовании фторапатита , распространенного фосфатного минерала, выглядит следующим образом:
- 4 Ка
5 (PO
4 )
3 Ф + 18 SiO
2 + 30С → 3 П
4 + 30CO + 18 CaSiO
3 + 2 КаФ
2
Исторический интерес представляет процесс Леблана . Ключевым этапом 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, чтобы получить карбонат натрия , товарный химикат .
MagSonic Недавно разработка карботермического процесса магния возобновила интерес к его химии: [4]
- MgO + C ↔ Mg + CO
Реакция легко обратима продуктов за счет паров и требует быстрого охлаждения для предотвращения обратной реакции .
Кремний
[ редактировать ]Кремний металлургического качества также можно получить карботермической реакцией. Общая реакция следующая: [5]
- Это не
2 + С ↔ Si + CO
2
Реальная реакция сложнее, чем кажется, и включает в себя несколько этапов. [5]
Вариации
[ редактировать ]Иногда карботермические реакции сочетаются с другими превращениями. Одним из примеров является хлоридный процесс отделения титана от ильменита , основной титановой руды. В этом процессе смесь углерода и измельченной руды нагревается при 1000 ° C в потоке газообразного хлора , в результате чего образуется тетрахлорид титана :
- 2 ФеТиО
3 + 7 кл.
2 + 6C → 2 TiCl
4 + 2 FeCl
3 + 6СО
Для некоторых металлов в результате карботермических реакций металл не образуется, а образуется карбид металла . Такое поведение наблюдается для титана, отсюда и использование хлоридного процесса . Карбиды также образуются при высокотемпературной обработке Cr.
22О
3 с углеродом. По этой причине алюминий в качестве восстановителя используют .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 . «Рисунок 8.19 Диаграмма Эллингема для свободной энергии образования оксидов металлов» с. 308
- ^ Дисковски, Герберт; Хофманн, Томас (2005). «Фосфор». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a19_505 . ISBN 9783527306732 .
- ^ Кристиан Тиме (2000). «Карбонаты натрия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a24_299 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Прентис, Леон; Нэгл, Майкл (2012). «Карботермическое производство магния: процесс MagSonic CSIRO». В Матаудху (ред.). Магниевые технологии 2012 . Чам: Спрингер. дои : 10.1007/978-3-319-48203-3_6 . ISBN 9783319482033 .
- ^ Перейти обратно: а б Ли, Дж. Г.; Миллер, PD; Катлер, IB (1977), Вуд, Джон; Линдквист, Оливер; Хельгессон, Клаас; Ваннерберг, Нильс-Гёста (ред.), «Карботермическое восстановление кремнезема» , Реактивность твердых веществ , Бостон, Массачусетс: Springer US, стр. 707–711, doi : 10.1007/978-1-4684-2340-2_102 , ISBN 978-1-4684-2342-6 , получено 4 июня 2023 г.
 | Эта химической реакции статья о незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее . |