Réaction carbothermique

Une réaction carbothermique est une réaction chimique qui consiste en une réduction, par le carbone, d'oxydes métalliques généralement. Ces réactions se déroulent le plus souvent à une température de plusieurs centaines de degrés Celsius. Elles permettent d'obtenir des formes pures — corps simples — de nombreux éléments chimiques. Tous les métaux ne peuvent cependant être réduits de cette façon, et cette possibilité peut être déduite de leur diagramme d'Ellingham^[1] : ainsi, le sodium et le potassium ne se prêtent pas à cette réaction.

Les réactions carbothermiques produisent du monoxyde de carbone CO et, parfois, du dioxyde de carbone CO₂. La facilité de ces conversions est attribuable à l'entropie de la réaction : deux solides, l'oxyde métallique et le carbone, réagissent pour donner un solide, le métal, et un gaz, l'oxyde de carbone, ce dernier ayant une entropie élevée. La chaleur est nécessaire pour permettre la réaction des deux solides entre eux en favorisant leur diffusion.

L'exemple emblématique de réaction carbothermique est la réduction, accompagnée de la fusion, du minerai de fer par combustion de coke dans des hauts fourneaux pour donner de la fonte brute. De nombreuses réactions s'y déroulent simultanément, et c'est le monoxyde de carbone (CO) à l'état gazeux qui est responsable de la réduction de l'oxyde de fer en fer métallique. Cependant, l'équation globale de réduction de l'oxyde de fer par le carbone peut s'écrire de façon simplifiée comme suit :

2 Fe₂O₃ + 3 C ⟶ 4 Fe + 3 CO₂.

À une échelle plus modeste, de l'ordre d'un million de tonnes de phosphore est produit chaque année par réduction carbothermique^[2]. Du phosphate de calcium Ca₃(PO₄)₂ est chauffé de 1 200 à 1 500 °C avec du sable, essentiellement constitué de dioxyde de silicium SiO₂, et avec du coke, pour produire du phosphore blanc P₄. La réaction simplifiée de ce processus à partir de fluorapatite Ca₅(PO₄)₃F s'écrit ainsi :

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

Le procédé Leblanc, utilisé au XIX^e siècle avant d'être supplanté par le procédé Solvay, faisait intervenir la thermo-réduction chimique du sulfate de sodium Na₂SO₄ par du charbon en absence d'oxygène^[3] :

Na₂SO₄ + 2 C → Na₂S + 2 CO₂.

Le sulfure de sodium Na₂S ainsi obtenu était ensuite traité au carbonate de calcium CaCO₃ pour donner du sulfure de calcium CaS et le carbonate de sodium Na₂CO₃ recherché.

Na₂S + CaCO₃ → CaS + Na₂CO₃

Les réactions carbothermiques peuvent être couplées à d'autres réactions. C'est par exemple le cas du procédé au chlorure de séparation du titane à partir d'ilménite FeTiO₃, son principal minerai. Dans ce procédé, un mélange de carbone et de minerai réduit en poudre est chauffé à 1 000 °C dans un flux de chlore Cl₂ pour former du tétrachlorure de titane TiCl₄ :

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

Le titane fait partie des métaux pour lesquels une réaction carbothermique ne donne pas le métal pur mais un carbure. Il se forme également des carbures lors du traitement de l'oxyde de chrome(III) Cr₂O₃ avec du carbone à haute température ; c'est pour cette raison que l'aluminium est employé comme réducteur dans ce cas.

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