解释这个,需要用大学一年级的无机化学中的原理。以下是详解。
3Fe(s)+4H2O(g)======Fe3O4(s)+4H2(g) K=[H2]^4/[H2O]^4
反应前后气体分子数没有改变,所以反应是恒压的。
反应的平衡常数K是氢气压强的四次幂与水蒸气压强的四次幂之比,也就是氢气的物质的量与水蒸气的物质的量的比的四次幂。
查热力学数据表,可以查到此反应在标准状态下,摩尔反应焓变ΔH=-151.2kJ/mol,摩尔反应熵变ΔS=-167.9J/(mol·K)。
Gibbs自由能变为ΔG
ΔG=ΔH-T×ΔS
当Gibbs自由能变小于0时,反应是自发的,当吉布斯自由能变等于0时,反应达到化学平衡。
若令ΔG<0,即ΔH-T×ΔS<0,
ΔH<T×ΔS
T<ΔH/ΔS时,反应自发进行(因为ΔS定性分析,不考虑反应时水蒸气和氢气的分压改变,热力学逆转温度为[-151200J/mol]/[-167.9J/(mol·K)]=900.5K,所以温度小于900.5K时,正反应为自发的,铁和水转化为四氧化三铁和氢气,而温度高于900.5K时,逆反应是自发的。温度等于900.5K时,是平衡状态,即所谓的“铁与氢气夺氧的能力相同”。
900.5K约为627.5℃。
实际上,这个反应条件不是高温,而是350℃。(高一做实验时,用的是酒精灯,而不是煤气灯等高温热源。我后边的插的图有数据)
当温度为350℃即623K时,ΔG=ΔH-T×ΔS=-151200-623×(-167.9)=-46598J/mol
由热力学公式,有K=e^(-ΔG/RT)=8075
即([H2]/[H2O])^4=8075
[H2]/[H2O]=9.5
所以,当氢气的物质的量是水的9.5倍,反应达到平衡。
即每21molH2O将有19mol转化为H2,最终剩余2mol。转化率为90.5%。
而当温度在1300K时,用同样的方法,计算出K=0.0020
即[H2]/[H2O]=0.21
所以,当水的物质的量是氢气的5倍时,反应达到平衡。
即每6molH2将有5mol转化为H2O,最终剩余1mol。而如果及时把生产的水吸收或消耗掉,使氢气的压强大于水的5倍,氢气就会继续转化为水,以趋向于5。所以高温下,氢气可以还原四氧化三铁,得到铁单质。
结论:氢气在温度较高时,有更强的还原性。
这个结论也可以用熵变来解释,因为氢气的氧化产物是水蒸气,水蒸气的分子量是大的,所以水蒸气的摩尔熵是大于氢气的。温度越高,熵变对反应方向的影响越大(因为比较的项是“焓变”与“熵变与热力学温度的乘积”)
相关图片:
350℃时,铁还原水蒸气
1050~1100℃时,氢气还原四氧化三铁和氧化铁
知道团队_化学学派