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Termodinamica de la reducción de oxidos

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on 23 March 2015

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¿En donde se efectúa la reducción?
El alto horno es la construcción para efectuar la fusión y la reducción de minerales de hierro, con vistas a elaborar la fundición.
Por el fondo del horno se introduce un soplo de aire caliente a través de las toberas. Los gases del horno del horno se extraen por la parte superior y el arrabio (metal caliente) y la escoria fundida se localizan en el fondo del horno en un crisol. El cono invertido que se encuentra entre el cuerpo del horno y el crisol se llama atalaje.
Al nivel de las toberas el aire reacciona con el coque dando la reacción global:
Reducción de menas de oxidos
Reducción del hierro
Reducción en el alto horno
-Termodinámica de la reducción de óxidos
-Reducción de menas de oxido
-Reducción del hierro

En la parte superior del cuerpo del horno, la mena se reduce por medio de las siguientes etapas:
Un numeroso grupo de metales se producen a partir de óxidos, este es por ejemplo el caso del hierro Fe, cromo Cr, manganeso Mn, estaño, etc. En otros casos, por ejemplo para el plomo Pb y el zinc Zn, las menas de sus
sulfuros se tuestan primero para producir óxidos, como ya vimos; posteriormente estos óxidos serán reducidos para producir metales.
Existen diversos métodos de reducción, entre los cuales se encuentran:
Reducción por descomposición térmica
Sólo los óxidos de los metales más nobles pueden convertirse en metal mediante una simple descomposición térmica. Tal es el caso del óxido de plata, el cual, a temperaturas mayores a 200 C y en atmósferas inertes, se descompone mediante la siguiente reacción:
Reducción por medio de un agente reductor
Todos los demás óxidos metálicos se descomponen por medio de un agente reductor, éste puede ser carbono, monóxido de carbono, hidrógeno y en casos especiales, otro metal que tenga mayor afinidad por el oxígeno, por ejemplo se puede reducir el Fe2O3 con Al.
2 Ag2O + calor 4 Ag + O2
Igualmente el PtO se descompone alrededor de 500 C y el PdO por arriba de casi 900 C mediante las reacciones respectivas siguientes:



2 PtO + calor 2 Pt + O2
2 PdO + calor 2 Pd + O2
Agentes reductores
El carbono, el monóxido de carbono y el hidrógeno son los agentes reductores de mayor importancia industrial y económica y pueden ser producidos a partir de materias primas como el carbón, petróleo o el gas natural.

Por la importancia que tiene el hierro en la actividad industrial nos enfocaremos al estudio del proceso de reducción de éste metal.
El proceso más importante para la producción del hierro a partir de su óxido más
estable es la fusión en el alto horno, el cual consiste en una cuba entre 20 y 30 m de alto, construida de lámina de acero por fuera y recubierta por dentro con ladrillo refractarios
con el objeto de no radiar calor.
2 C + O2 2 CO2
Ésta reacción representa la principal fuente de calor y de gas reductor.
3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2
FeO + CO Fe + CO2
Termodinamica de la reducción de hierro
Curvas de Chaudron:
Estas curvas señalan las proporciones de CO que se deben rebasar para que se pueda producir a diversas temperaturas la reducción de los diferentes óxidos de hierro.
A temperaturas superiores a 555 °C, la reducción de los óxidos de hierro por la acción de mezclas de CO y de CO2 se realiza en tres etapas sucesivas, avanzando las transformaciones en la siguiente forma:
Fe2O3

Fe3O4

FeO

Fe
Teóricamente, las transformaciones Fe3O4®FeO
y FeO ® Fe por la acción del CO, sólo pueden producirse a temperaturas superiores a 555 °C.
Se observa en la figura 1 que bastan pequeñísimos porcentajes de CO en los gases, inferiores a 0.003 %, que son casi despreciables, para que en el intervalo 400 900 °C se verifique a diversas temperaturas, las transformaciones señaladas anteriormente; de acuerdo con la figura son:
A 700 °C, por ejemplo, para que teóricamente se produzca la reducción Fe2O3 ® Fe3O4 ® FeO, hay que sobrepasar la proporción de 38 % de CO en los gases; y para que se complete la reducción FeO ® Fe, hay que rebasar la proporción de 60 % de CO.
A 900 °C para que se realice la transformación Fe3O4 ® FeO, teóricamente, hace falta sobrepasar la proporción de 25 % de CO en los gases; y para la reducción FeO ® Fe, el porcentaje de CO debe ser superior a 68 %.
Termodinamica de la reducción de oxidos
La reducción con carbón y monoxido de carbono está gobernada por los equilibrios y la cinetica de la reacción prevalentes.
La reducción de óxidos estables con el carbono requiere no solamente de una temperatura elevada, sino, también de una gran cantidad de calor a dicha temperatura. En la practica, esto significa que los requerimientos mínimos de combustible y energía aumenta considerablemente al aumentar la estabilidad del oxidos.
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