التفاعل الكربوني الحراري

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة
الاختزال الكربوني الحراري لنترات البوتاسيوم المنصهرة بالفحم إلى نتريت البوتاسيوم

التفاعلات الكربونية الحرارية هي تفاعلات كيميائية تتضمن اختزال مواد، غالباً أكاسيد المعادن (O2- ) ، باستخدام الكربون (C) كعامل مختزل . وبحسب المادة الأولية، تُجرى هذه العملية عادةً في فرن القوس الكهربائي أو فرن عاكس عند درجات حرارة تصل إلى عدة مئات من الدرجات المئوية. تُنتج التفاعلات الكربونية الحرارية أول أكسيد الكربون (CO) وأحياناً ثاني أكسيد الكربون (CO2 ) . تُعزى سهولة هذه التحولات إلى إنتروبيا التفاعل: حيث يتحول مركبان صلبان - أكسيد المعدن (والعامل المساعد) والكربون - إلى مركب صلب جديد (معدني) وغاز (COx ) ، يتميز الأخير بإنتروبيا عالية.

تُستخدم التفاعلات الكربونية الحرارية في إنتاج الأشكال العنصرية للعديد من العناصر. ويمكن التنبؤ بقدرة المعادن على المشاركة في التفاعلات الكربونية الحرارية من خلال مخططات إلينغهام . [ 1 ]

التطبيقات

من الأمثلة البارزة، وربما الأشهر، صهر خام الحديد . تتضمن هذه العملية العديد من التفاعلات، ولكن عادةً ما تُعرض المعادلة المبسطة على النحو التالي:

2 Fe2 O3 + 3 C → 4 Fe + 3CO2

على نطاق أضيق، يُنتج حوالي مليون طن من الفوسفور العنصري سنويًا عن طريق التفاعلات الكربونية الحرارية. [ 2 ] يُسخّن فوسفات الكالسيوم  (صخر الفوسفات) إلى درجة حرارة تتراوح بين 1200 و1500 درجة مئوية مع الرمل، الذي يتكون في معظمه من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ).2 ، وفحم الكوك (كربون غير نقي) لإنتاجP4. المعادلة الكيميائية لهذه العملية عند البدءبفلوروأباتيت، وهو معدن فوسفات شائع، هي:

4 كال5 (PO4 )3 F + 18SiO2 + 30 درجة مئوية → 3ف4 + 30 CO + 18CaSiO3 + 2CaF2

تُعد عملية لوبلان ذات أهمية تاريخية . وتتمثل إحدى الخطوات الرئيسية في هذه العملية في اختزال كبريتات الصوديوم بالفحم: [ 3 ]

نا 2 SO 4 + 2  C → نا 2 S + 2  CO 2

ثم يتم معالجة Na 2 S بكربونات الكالسيوم للحصول على كربونات الصوديوم ، وهي مادة كيميائية أساسية .

في الآونة الأخيرة، أدى تطوير عملية "MagSonic" الكربونية الحرارية للمغنيسيوم إلى إعادة الاهتمام بكيميائها: [ 4 ]

MgO + C ↔ Mg + CO

يمكن عكس التفاعل بسهولة من خلال أبخرة المنتج ، ويتطلب تبريدًا سريعًا لمنع التفاعل العكسي .

السيليكون

يمكن أيضًا الحصول على السيليكون ذي الدرجة المعدنية عن طريق التفاعل الكربوني الحراري. ويكون التفاعل الكلي كما يلي: [ 5 ]

SiO2 + C↔ Si + CO2

إن التفاعل الفعلي المذكور أكثر تعقيداً مما يبدو ويتضمن عدة خطوات. [ 5 ]

الاختلافات

أحيانًا تُقترن التفاعلات الكربونية الحرارية بتحويلات أخرى. ومن الأمثلة على ذلك عملية الكلوريد لفصل التيتانيوم عن الإلمنيت ، وهو الخام الرئيسي للتيتانيوم. في هذه العملية، يُسخّن خليط من الكربون والخام المسحوق عند درجة حرارة 1000  درجة مئوية تحت تيار من غاز الكلور ، مما ينتج عنه رابع كلوريد التيتانيوم .

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

بالنسبة لبعض المعادن، لا تُنتج التفاعلات الكربونية الحرارية المعدن نفسه، بل تُنتج كربيد المعدن . ويُلاحظ هذا السلوك مع التيتانيوم، ومن هنا يأتي استخدام عملية الكلوريد . كما تتشكل الكربيدات عند معالجة الكروم بدرجات حرارة عالية.2 O3 مع الكربون. ولهذا السبب،الألومنيومكعامل مختزل.

مراجع

  1. ↑ غرينوود، نورمان ن.؛ إيرنشو، آلان (1997). كيمياء العناصر (  الطبعة الثانية). باتروورث-هاينمان. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN 978-0-08-037941-8."الشكل 8.19: مخطط إلينغهام للطاقة الحرة لتكوين أكاسيد المعادن" ص 308
  2. ↑ ديسكوفسكي، هربرت؛ هوفمان، توماس (2005). "الفوسفور". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a19_505 . ISBN 9783527306732.
  3. ↑ كريستيان ثيمي (2000). "كربونات الصوديوم". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش. doi : 10.1002/14356007.a24_299 . ISBN 978-3527306732.
  4. ↑ برنتيس، ليون؛ ناجل، مايكل (2012). "الإنتاج الكربوني الحراري للمغنيسيوم: عملية ماجسونيك التابعة لمنظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية". في ماثودو (محرر). تكنولوجيا المغنيسيوم 2012. تشام: سبرينغر. doi : 10.1007/978-3-319-48203-3_6 . ISBN 9783319482033.
  5. 1 2 لي، جي جي؛ ميلر، PD. كاتلر، IB (1977)، “الاختزال الكربوثيرمالي للسيليكا” ، في وود، جون؛ ليندكفيست، أوليفر؛ هيلجيسون، كلايس. Vannerberg، Nils-Gösta (eds.)، تفاعل المواد الصلبة ، بوسطن، MA: Springer US، pp. 707– 711، doi : 10.1007 / 978-1-4684-2340-2_102 ، ISBN  978-1-4684-2342-6تم الاطلاع عليه بتاريخ 2023-06-04