Reacción carbotérmica
Las reacciones carbotérmicas implican la reducción de sustancias, a menudo óxidos metálicos (O 2- ), utilizando carbono (C) como agente reductor . La reducción se lleva a cabo normalmente en el horno de arco eléctrico o en el horno de reverbero , dependiendo del mineral metálico. Estas reacciones químicas suelen llevarse a cabo a temperaturas de varios cientos de grados Celsius. Dichos procesos se aplican para 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]
Las reacciones carbotérmicas producen monóxido de carbono (CO) y, a veces, dióxido de carbono (CO 2 ). La facilidad de estas conversiones se debe a la entropía de la reacción: dos sólidos, el óxido metálico (y el fundente) y el carbono, se convierten en un nuevo sólido (metal) y un gas (CO x ), este último con una entropía alta.
Aplicaciones
Un ejemplo destacado es el de la fundición de mineral de hierro . En él intervienen muchas reacciones, pero la ecuación simplificada suele ser la siguiente:
- 2 Fe
2Oh
3+ 3C → 4Fe + 3CO2
En una escala más modesta, se producen anualmente alrededor de 1 millón de toneladas de fósforo elemental mediante reacciones carbotérmicas. [2] El fosfato de calcio (roca de fosfato) se calienta a 1200–1500 °C con arena, que es principalmente SiO
2, y coque (carbón impuro) para producir P
4La ecuación química para este proceso cuando se parte de fluoroapatita , un mineral de fosfato común, es:
- 4 Ca
5(CORREOS
4)
3F + 18SiO
2 + 30 °C → 3 P
4 + 30CO + 18 CaSiO
3 + 2 CaF
2
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
Luego, el Na2S se trata con carbonato de calcio para producir carbonato de sodio , un producto químico básico .
Recientemente, el desarrollo del proceso carbotérmico de magnesio 'MagSonic' ha reavivado 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 una reacción inversa .
Silicio
El silicio de grado metalúrgico también se puede obtener mediante una reacción carbotérmica. La reacción general es la siguiente: [5]
- SiO
2 + C ↔ Si + CO
2
La reacción real que se da es más compleja de lo que parece e incluye varios pasos. [5]
Variaciones
En ocasiones, las reacciones carbotérmicas se combinan con otras conversiones. Un ejemplo es el proceso del 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 un flujo de gas cloro , lo que da lugar al tetracloruro de titanio :
- 2FeTiO
3 + 7 cl
2 + 6C → 2TiCl
4+ 2 FeCl
3+ 6CO
En el caso de algunos metales, las reacciones carbotérmicas no producen el metal, sino carburo metálico . Este comportamiento se observa en el titanio, de ahí el uso del proceso del cloruro . Los carburos también se forman tras el tratamiento a alta temperatura del Cr
2Oh
3con carbono, por lo que se emplea aluminio como agente reductor.
Referencias
- ^ Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8."Figura 8.19 Diagrama de Ellingham para la energía libre de formación de óxidos metálicos" p. 308
- ^ 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: proceso MagSonic de CSIRO". En Mathaudhu (ed.). Tecnología del magnesio 2012. Cham: Springer. doi :10.1007/978-3-319-48203-3_6. ISBN 9783319482033.
- ^ ab Lee, JG; Miller, PD; Cutler, IB (1977), Wood, John; Lindqvist, Oliver; Helgesson, Claes; Vannerberg, Nils-Gösta (eds.), "Reducción carbotérmica de sílice", Reactividad de 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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