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探究铁与氧气的反应

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R_Nitro

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发表于 2017-10-25 16:49 |只看该作者 |倒序浏览

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在初中我们就学习过铁在氧气中充分燃烧生成产物四氧化三铁，为什么反应产物不是Fe2O3或者FeO而是混合价态的，而铁在空气中生锈的产物却是Fe2O3？
首先我们查看热力学数据表格可以看到：
因为ΔfGmΘ(Fe3O4)<<ΔfGmΘ(Fe2O3 /FeO)，表明在常温之下生成四氧化三铁的热力学趋势最大，这的确符合客观事实但无法解释为什么铁生锈生成的是Fe2O3。
3FeO(s)+1/2 O2(g)—Fe3O4(s) (1)
2Fe3O4(s)+1/2 O2(g)—3Fe2O3(s) (2)
由于反应(1)(2)的自由焓都小于0所以这两个反应都自发进行这意味着常温常压下FeO会先自发转化为Fe3O4 接着转化成Fe2O3。这与我们的日常生活经验一致：在氧气充分的情况下，铁生锈的产物是 Fe2O3。

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zan

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发表于 2017-10-25 16:51 |只看该作者 |招呼Ta 关注Ta

但为了了解铁在燃烧时的情况我们不应选用常温下的ΔGm，而应该选用反应温度下的ΔfGmΘ，因为温度对它影响巨大。通过查阅数据我们得知铁燃烧的温度大约达到了1800K。
通过计算
ΔGmΘ(1800K,Fe3O4 )=-493.34kJ·mol-1
ΔGmΘ(1800K,Fe2O3)=-330.158kJ·mol-1
ΔGmΘ(1800K,FeO)=-139.419kJ·mol-1
尽管计算结果与试剂有所出入但基本相差不大，我们看出由于1800K下Fe3O4 生成自由能最小，即产生趋势最大。
接着我们还能算出
ΔrGmΘ(1800K,1)=ΔfGmΘ(Fe3O4 )-3ΔfGmΘ(FeO)=-207.3kJ·mol-1<0
ΔrGmΘ(1800K,2)=3ΔfGmΘ(Fe2O3)-2ΔfGmΘ(Fe3O4 )=kJ·mol-1>0
这就说明了在铁燃烧的温度下FeO可自发转变为Fe3O4但 Fe3O4继续氧化成Fe2O3却是不自发的。这个温度很宽泛，可从1600～2000K，当温度过低生成Fe2O3，过高则生成FeO。我们借助了热力学很好地解释了这存在几个反应反应的系统。
最后说明一下FeO的数据取Fe0.947O，它是一种典型的非整比化合物，是铁与氧气反应的真实产物。铁锈主要成分看成Fe2O3是但其实是不同程度上水合氧化铁。

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