碳熱反應

碳熱反應（Carbothermic reaction）也稱碳熱還原（Carbothermic Reduction）是指以碳為還原劑的反應，通常用於金屬氧化物的還原。這類反應一般在幾百攝氏度下進行，用於許多元素單質比如鐵、鈷、鎳和銅的大量工業生產^[1]，傳統上需要電解氯化鎂產生的金屬鎂單質也可從氧化鎂通過碳熱還原得到^[2]^[3]。雖然可用來把金屬氧化物還原成金屬單質，但對於某些金屬比如鈉和鉀的氧化物不適用。藉助氧化物自由能圖可預測某種金屬元素的單質是否能通過碳熱反應用碳還原相應的金屬氧化物得到。^[4]

碳熱反應有時產生一氧化碳，有時則生成二氧化碳。碳熱反應的驅動力是反應產生的熵：金屬氧化物和碳這兩種固體反應生成一種新的固體（金屬）和一種氣體（CO）。後者由於是氣態的物質所以具有更大的熵。因為固體反應物的擴散速率是很慢的，所以需要加熱才能使碳熱反應發生。

用途

鐵礦石的熔煉是碳熱反應最重要的用途，其中的過程涉及諸多反應，但基本可簡化為以下反應：^[4]

2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂

每年大約有一百萬噸的單質磷是用碳熱反應生產的。^[5]磷酸鈣（一般使用一種常見的磷酸鹽礦物氟磷灰石）、石英砂和焦炭（不純的碳）混合加熱至1200－1500℃生成氣體的P₄，後經冷凝得到單質磷。表示該過程的具體化學反應式如下^[6]：

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

反應變種

對於某些金屬，用碳熱反應還原相對應的金屬化合物不能得到金屬單質，而是生成金屬碳化物，比如二氧化鈦和碳在高溫下反應就會直接形成碳化物；用碳和三氧化二鉻在高溫下反應得到的也是鉻的碳化物。在這種情況下就會使用鋁或鎂作為還原劑使用。^[4]

有些情況下會把碳熱反應和其他反應偶聯起來，一個重要的例子就是利用氯化法從鈦鐵礦分離鈦，這個方法就是先把粉碎後的鈦鐵礦石和碳混合，後在1000℃的氯氣流下加熱產生四氯化鈦:

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

參考資料

^ Boris V L'vov. Mechanism of carbothermal reduction of iron, cobalt, nickel and copper oxides. Thermochimica Acta (Elseiver). 2000-09-28, 360 (2): 109–120. doi:10.1016/S0040-6031(00)00540-2.
^ Geoffrey Brooks, Simon Trang, Peter Witt, M. N. H. Khan, Michael Nagle. The Carbothermic Route to Magnesium. JOM. May 2006, 58 (5): 51–55. doi:10.1007/s11837-006-0024-x.
^ Li Rongti, Pan Wei, Masamichi Sano. Kinetics and mechanism of carbothermic reduction of magnesia. Kinetics and mechanism of carbothermic reduction of magnesia (Springer-Verlag). August 2003, 34 (4): 433–437 [2013-02-10]. doi:10.1007/s11663-003-0069-y. （原始內容存檔於2018-06-14）.
^ ^4.0 ^4.1 ^4.2 Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英語）.
^ Herbert Diskowski, Thomas Hofmann. Phosphorus. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Wiley-VCH, Weinheim). 2005 [2013-02-10]. doi:10.1002/14356007.a19_505. （原始內容存檔於2013-01-08）.
^ Yu Cheng Liu, Qiu Xia Li, Yong Cheng Liu. Preparation of Phosphorus by Carbothermal Reduction Mechanism in Vacuum. Advanced Materials Research. 2011,. 361-363: 268–274 [2013-02-11]. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.361-363.268. （原始內容存檔於2016-03-04）.

[1] Boris V L'vov. Mechanism of carbothermal reduction of iron, cobalt, nickel and copper oxides. Thermochimica Acta (Elseiver). 2000-09-28, 360 (2): 109–120. doi:10.1016/S0040-6031(00)00540-2.

[2] Geoffrey Brooks, Simon Trang, Peter Witt, M. N. H. Khan, Michael Nagle. The Carbothermic Route to Magnesium. JOM. May 2006, 58 (5): 51–55. doi:10.1007/s11837-006-0024-x.

[3] Li Rongti, Pan Wei, Masamichi Sano. Kinetics and mechanism of carbothermic reduction of magnesia. Kinetics and mechanism of carbothermic reduction of magnesia (Springer-Verlag). August 2003, 34 (4): 433–437 [2013-02-10]. doi:10.1007/s11663-003-0069-y. （原始內容存檔於2018-06-14）.

[greenwood-4] 4.0 ^4.1 ^4.2 Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英語）.

[5] Herbert Diskowski, Thomas Hofmann. Phosphorus. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Wiley-VCH, Weinheim). 2005 [2013-02-10]. doi:10.1002/14356007.a19_505. （原始內容存檔於2013-01-08）.

[6] Yu Cheng Liu, Qiu Xia Li, Yong Cheng Liu. Preparation of Phosphorus by Carbothermal Reduction Mechanism in Vacuum. Advanced Materials Research. 2011,. 361-363: 268–274 [2013-02-11]. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.361-363.268. （原始內容存檔於2016-03-04）.

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