Las reacciones carbotérmicas implican la reducción de sustancias, a menudo óxidos metálicos (O 2- ), utilizando carbono (C) como agente reductor . La reducción suele realizarse en horno de arco eléctrico o en horno de reverbero , dependiendo del mineral metálico. Estas reacciones químicas suelen llevarse a cabo a temperaturas de varios cientos de grados centígrados. Estos procesos se aplican para la producción de formas elementales de muchos elementos. La capacidad de los metales para participar en reacciones carbotérmicas puede predecirse 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 es atribuible 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 (COx ) , este último de alta entropía.
Un ejemplo destacado es el de la fundición de mineral de hierro . Están involucradas muchas reacciones, pero la ecuación simplificada generalmente se muestra como:
En una escala más modesta, anualmente se producen 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
2y coque (carbono impuro) para producir P
4. La ecuación química para este proceso al partir de fluorapatita , un mineral de fosfato común, es:
De interés histórico es el proceso Leblanc . Un paso clave en este proceso es la reducción del sulfato de sodio con carbón: [3]
El Na 2 S luego se trata con carbonato de calcio para obtener carbonato de sodio , un producto químico comercial .
Recientemente, el desarrollo del proceso carbotérmico de magnesio 'MagSonic' ha reactivado el interés en su química: [4]
La reacción es fácilmente reversible a partir de los vapores del producto y requiere un enfriamiento rápido para evitar una reacción inversa .
También se puede obtener silicio de calidad metalúrgica mediante reacción carbotérmica. La reacción general es la siguiente: [5]
La reacción real dada es más compleja de lo que parece e incluye varios pasos. [5]
A veces, las reacciones carbotérmicas se combinan con 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 un flujo de cloro gaseoso , dando tetracloruro de titanio :
Para algunos metales, las reacciones carbotérmicas no producen el metal, sino que dan el carburo metálico . Este comportamiento se observa para el titanio, de ahí el uso del proceso de cloruro . Los carburos también se forman tras el tratamiento a alta temperatura del Cr.
2oh
3con carbono. Por este motivo se utiliza aluminio como agente reductor.