열분해 반응(熱分解反應, thermal decomposition / pyrolysis)은 물질에 열을 가하여 화학 결합이 끊어지면서 두 가지 이상의 다른 물질로 분해되는 화학 반응을 의미한다. 이 용어는 그리스어 pyr(불, πῦρ)와 lysis(분리, λύσις)에서 유래하였다.
열분해 반응은 일반적으로 산소가 없는 조건(무산소 또는 불활성 분위기)에서 수행되며, 이는 연소(combustion)와 구별되는 핵심적인 특징이다. 연소는 산소와의 반응을 통해 열과 빛을 방출하는 반면, 열분해 반응은 산소 없이 열에너지만으로 물질을 분해한다. 열분해 반응이 진행되는 온도는 물질에 따라 다르나, 일반적으로 430°C(800°F) 이상에서 이루어진다.
열분해 반응의 대표적인 예시로는 탄산 칼슘(CaCO₃)을 800°C 정도로 가열하여 산화 칼슘(CaO)과 이산화 탄소(CO₂)로 분해하는 반응이 있다.
CaCO₃ → CaO + CO₂
또한 탄산 수소 나트륨(NaHCO₃)을 가열하면 탄산 나트륨(Na₂CO₃), 이산화 탄소(CO₂), 물(H₂O)로 분해된다.
열분해 반응은 다양한 산업 분야에서 활용된다. 주요 용도로는 나무를 숯으로 전환하는 과정, 석유 정제 과정에서의 분해(크래킹), 코크스 생산, 탄소 섬유 제조, 플라스틱 폐기물 처리, 바이오매스로부터 바이오 연료 생산 등이 있다. 열분해 반응의 생성물은 일반적으로 기체(합성가스), 액체(열분해유, 타르), 고체(숯, 바이오 숯)의 세 가지 형태로 얻어진다.
화학 반응의 분류 측면에서 열분해 반응은 열에 의한 분해(thermolysis)의 한 형태이며, 전기 분해(electrolysis), 광분해(photolysis), 촉매 분해(catalytic decomposition) 등과 함께 물질 분해 방식의 하나로 분류된다.
