Reacción carbotérmica

Reducción carbotérmica de nitrato de potasio fundido con carbón vegetal a nitrito de potasio.

Las reacciones carbotérmicas son reacciones químicas que implican la reducción de sustancias, a menudo óxidos metálicos (O₂⁻ ⁾ , utilizando carbono (C) como agente reductor . Dependiendo del material de partida, el proceso se suele llevar a cabo en un horno de arco eléctrico o en un horno de reverbero a temperaturas de varios cientos de grados Celsius. Las reacciones carbotérmicas producen monóxido de carbono (CO) y, en ocasiones, dióxido de carbono (CO₂ ₎ . La facilidad de estas conversiones se debe a la entropía de reacción: dos compuestos sólidos —el óxido (metálico) (y el fundente) y el carbono— se transforman en un nuevo compuesto sólido (metálico) y un gas (COₓ _$)$ , este último con alta entropía.

Las reacciones carbotérmicas se utilizan en la producción de las formas elementales de muchos elementos. La capacidad de los metales para participar en reacciones carbotérmicas se puede predecir a partir de los diagramas de Ellingham . ^{[ 1 ]}

Aplicaciones

Un ejemplo destacado y probablemente el más conocido es el de la fundición de mineral de hierro . En ella intervienen muchas reacciones, pero la ecuación simplificada suele representarse de la siguiente manera:

2 Fe₂ O₃ + 3 C → 4 Fe + 3CO₂

A menor escala, se producen anualmente alrededor de 1 millón de toneladas de fósforo elemental mediante reacciones carbotérmicas. ^{[ 2 ]} El fosfato de calcio (roca fosfática) se calienta a 1200–1500 °C con arena, que es principalmente SiO₂ y coque (carbono impuro) para producirP_4. La ecuación química para este proceso cuando se parte defluoroapatita, un mineral de fosfato común, es:

4 Ca₅ (PO₄ )₃ F + 18SiO₂ + 30 C → 3P₄ + 30 CO + 18CaSiO₃ + 2CaF₂

De interés histórico es el proceso Leblanc . Un paso clave en este proceso es la reducción del sulfato de sodio con carbón: ^{[ 3 ]}

Na ₂ SO ₄ + 2 C → Na ₂ S + 2 CO ₂

El Na ₂ S se trata luego con carbonato de calcio para obtener carbonato de sodio , un producto químico básico .

Recientemente, el desarrollo del proceso carbotérmico de magnesio 'MagSonic' ha reactivado el interés en su química: ^{[ 4 ]}

MgO + C ↔ Mg + CO

La reacción es fácilmente reversible a partir de los vapores de sus productos y requiere un enfriamiento rápido para evitar la reacción inversa .

Silicio

El silicio de grado metalúrgico también puede obtenerse mediante reacción carbotérmica. La reacción global es la siguiente: ^{[ 5 ]}

SiO₂ + C↔ Si + CO₂

La reacción real que se muestra es más compleja de lo que parece e incluye varios pasos. ^{[ 5 ]}

Variaciones

En ocasiones, las reacciones carbotérmicas se acoplan a otras conversiones. Un ejemplo es el proceso de cloruro para separar el titanio de la ilmenita , el principal mineral de titanio. En este proceso, una mezcla de carbono y el mineral triturado se calienta a 1000 °C bajo una corriente de gas cloro , obteniéndose tetracloruro de titanio .

2 FeTiO₃ + 7Cl₂ + 6 C → 2TiCl₄ + 2FeCl₃ + 6 CO

Para algunos metales, las reacciones carbotérmicas no producen el metal, sino que dan lugar al carburo metálico . Este comportamiento se observa en el titanio, de ahí el uso del proceso de cloruro . Los carburos también se forman al tratar el Cr a alta temperatura.₂ O₃ con carbono. Por esta razón,aluminiocomo agente reductor.

Referencias

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↑ Diskowski, Herbert; Hofmann, Thomas (2005). «Fósforo». Enciclopedia de Química Industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a19_505 . ISBN 9783527306732.
↑ Christian Thieme (2000). «Carbonatos de sodio». Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a24_299 . ISBN 978-3527306732.
↑ Prentice, Leon; Nagle, Michael (2012). "Producción carbotérmica de magnesio: el proceso MagSonic de CSIRO". En Mathaudhu (ed.). Tecnología del magnesio 2012. Cham: Springer. doi : 10.1007/978-3-319-48203-3_6 . ISBN 9783319482033.
12 Lee , JG; Miller, PD; Cutler, IB (1977), "Reducción carbotérmica de sílice" , en Wood, John; Lindqvist, Oliver; Helgesson, Claes; Vannerberg, Nils-Gösta (eds.), Reactividad de los sólidos , Boston, MA: Springer US, págs. 707–711 , doi : 10.1007/978-1-4684-2340-2_102 , ISBN 978-1-4684-2342-6, consultado el 4 de junio de 2023

[greenwood-1] Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN 978-0-08-037941-8."Figura 8.19 Diagrama de Ellingham para la energía libre de formación de óxidos metálicos" pág. 308

[2] Diskowski, Herbert; Hofmann, Thomas (2005). «Fósforo». Enciclopedia de Química Industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a19_505 . ISBN 9783527306732.

[3] Christian Thieme (2000). «Carbonatos de sodio». Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a24_299 . ISBN 978-3527306732.

[4] Prentice, Leon; Nagle, Michael (2012). "Producción carbotérmica de magnesio: el proceso MagSonic de CSIRO". En Mathaudhu (ed.). Tecnología del magnesio 2012. Cham: Springer. doi : 10.1007/978-3-319-48203-3_6 . ISBN 9783319482033.

[:0-5] 12 Lee , JG; Miller, PD; Cutler, IB (1977), "Reducción carbotérmica de sílice" , en Wood, John; Lindqvist, Oliver; Helgesson, Claes; Vannerberg, Nils-Gösta (eds.), Reactividad de los sólidos , Boston, MA: Springer US, págs. 707–711 , doi : 10.1007/978-1-4684-2340-2_102 , ISBN 978-1-4684-2342-6, consultado el 4 de junio de 2023

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