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摘要:针对学生初三学过的碳还原氧化铜的氧化产物是二氧化碳,而高一同样碳还原二氧化硅的氧化产物却是一氧化碳,假定反应分两步进行,碳还原氧化铜、二氧化硅先到CO,再CO与氧化物反应生成CO2,从热力学角度解释最终的氧化产物。
关键词:热力学;碳;氧化产物
一、 问题的提出
学生在初中学过一个反应:C(s) 2CuO(s)高温2Cu(s) CO2(g),而高中化学必修一课本上有这样一个反应:
2C(s) SiO2(s)高温Si(s) 2CO(g),于是,有了这样的疑问:“C和CuO高温条件下的氧化产物为什么是CO2,有没有可能有CO?而C和SiO2高温条件下的氧化产物为什么又是CO,有没有可能有CO2?”
笔者百度了一下,有的认为:“C在还原CuO的时候首先产生CO,当C不足的时候会继续产生CO2。C还原SiO2也是这个道理,但SiO2不被CO还原,因此就算你C再少也得不到CO2。”
在这种说法中,认为C还原CuO的氧化产物,既有CO,又有CO2,而C还原SiO2的氧化产物只能是CO,是不是这样呢?
二、 理论依据
根据热力学原理,一个反应能不能进行,取决于这个反应的ΔrGmΘ,当ΔrGmΘ<0时,该反应自发,而ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ。
对于C和CuO的反应,可以从两步考虑,第一步C(s) CuO(s)高温Cu(s) CO(g),第二步
CO(g) CuO(s)高温Cu(s) CO2(g)。如果第一步自发,第二步在相同的条件下也自发,则说明C和CuO的反应的氧化产物应该是CO、CO2并存;如果第一步自发,第二步在相同的条件下不能自发,则说明C和CuO的反应的氧化产物应该是CO。
同理,对于C和SiO2的反应,也可以从两步考虑,第一步2C(s) SiO2(s)高温Si(s) 2CO(g),第二步
2CO(g) SiO2(s)高温2CO2(g) Si(s)。如果第一步自发,第二步在相同条件下也自发,则说明C和SiO2的反应的氧化产物是CO、CO2并存;如果第一步自发,第二步在相同的条件下不能自发,则说明C和SiO2的反应的氧化产物应该是CO。
三、 计算
已知:
表1热力学相关数据
ΔGmΘ(kJ/mol)ΔHmΘ(kJ/mol)ΔSmΘ(J·K-1·mol-1)
C005.74
CO-137.15-110.52197.56
CO2-394.36-393.51213.64
Si0018.83
SiO2-856.67-910.9441.84
Cu0033.15
CuO-129.7-157.342.6
1. 对反应:C(s) 2CuO(s)高温2Cu(s) CO2(g):
假设C和CuO先发生反应:C(s) CuO(s)高温Cu(s) CO(g)
则ΔrGmΘ(298K)=ΔGmΘ(CO)-ΔGmΘ(CuO)
=-137.15kJ/mol-(-129.7kJ/mol)
=-7.45kJ/mol<0自发
接着发生反应:CO(g) CuO(s)高温Cu(s) CO2(g)
则ΔrGmΘ(298K)= ΔGmΘ(CO2)-{ΔGmΘ(CuO) ΔGmΘ(CO)}
=-394.36kJ/mol-(-129.7kJ/mol-137.15kJ/mol)
=-127.51kJ/mol<0自发
结论:即使C和CuO先生成CO,CO也能和CuO自发生成CO2,所以C和CuO的氧化产物应该是CO2。
2. 对反应:2C(s) SiO2(s)高温Si(s) 2CO(g):
则ΔrGmΘ(298K)= ΔGmΘ(CO)×2-ΔGmΘ(SiO2)
=-137.15kJ/mol×2-(-856.67kJ/mol)
=582.37kJ/mol>0不自发
同理:ΔrHmΘ(298K)=ΔHmΘ(CO)×2-ΔHmΘ(SiO2)
=-110.52kJ/mol×2-(-910.94kJ/mol)
=689.9kJ/mol
ΔrSmΘ(298K)= ΔfSmΘ(CO)×2 ΔfSmΘ(Si)-{ΔSmΘ(SiO2) ΔfSmΘ(C)×2}=197.56J·K-1·mol-1×2 18.83J·K-1·mol-1-{41.84 J·K-1·mol-1 5.74J·K-1·mol-1×2}
=360.63J·K-1·mol-1
根据ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ
当ΔrGmΘ<0时自发,689.9kJ/mol×1000-T×360.63J·K-1·mol-1<0
T>1913.0K
所以,当温度高于1913.0K时,反应自发。
假设:CO和SiO2继续发生反应2CO(g) SiO2(s)高温2CO2(g) Si(s)
则ΔrGmΘ(298K)=ΔGmΘ(CO2)×2-{ΔGmΘ(SiO2) 2×
ΔfΘ(CO)}
=-394.36kJ/mol×2-{-856.67kJ/mol 2×(-137.15kJ/mol)}
=342.25kJ/mol>0不自发
同理:ΔrHmΘ(298K)=ΔHmΘ(CO2)×2-{ΔHmΘ(SiO2) 2×
ΔfHmΘ(CO)}
=-393.51kJ/mol×2-{(-910.94kJ/mol) 2×(-110.52kJ/mol)}
=344.96kJ/mol
ΔrSmΘ(298K)=ΔSmΘ(CO2)×2 ΔSmΘ(Si)-
{ΔSmΘ(SiO2) ΔSmΘ(CO)×2}
=213.64J·K-1·mol-1×2 18.83J·K-1·mol-1-{41.84J·K-1·mol-1 197.56J·K-1·mol-1×2}
=9.15J·K-1·mol-1
根據ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ
当ΔrGmΘ<0时自发,344.96kJ/mol×1000-T×9.15J·K-1·mol-1<0
T>37700.5K
所以,当温度高于37700.5K时,反应自发。
四、 结论
对于C和CuO的反应,常温下第一步自发,第二步在相同的条件下也自发,则说明C和CuO反应的最终氧化产物是CO还是CO2取决于C和CuO的投料比例,如果C足量,则最终的氧化产物是CO,如果CuO足量,则最终的氧化产物是CO2。
对于C和SiO2的反应,第一步反应在1913.0K时,自发,第二步在相同的条件下不能自发,则说明C和SiO2的反应的最终氧化产物只能是CO。
作者简介:卞海燕,江苏省常州市,溧阳市光华高级中学。
关键词:热力学;碳;氧化产物
一、 问题的提出
学生在初中学过一个反应:C(s) 2CuO(s)高温2Cu(s) CO2(g),而高中化学必修一课本上有这样一个反应:
2C(s) SiO2(s)高温Si(s) 2CO(g),于是,有了这样的疑问:“C和CuO高温条件下的氧化产物为什么是CO2,有没有可能有CO?而C和SiO2高温条件下的氧化产物为什么又是CO,有没有可能有CO2?”
笔者百度了一下,有的认为:“C在还原CuO的时候首先产生CO,当C不足的时候会继续产生CO2。C还原SiO2也是这个道理,但SiO2不被CO还原,因此就算你C再少也得不到CO2。”
在这种说法中,认为C还原CuO的氧化产物,既有CO,又有CO2,而C还原SiO2的氧化产物只能是CO,是不是这样呢?
二、 理论依据
根据热力学原理,一个反应能不能进行,取决于这个反应的ΔrGmΘ,当ΔrGmΘ<0时,该反应自发,而ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ。
对于C和CuO的反应,可以从两步考虑,第一步C(s) CuO(s)高温Cu(s) CO(g),第二步
CO(g) CuO(s)高温Cu(s) CO2(g)。如果第一步自发,第二步在相同的条件下也自发,则说明C和CuO的反应的氧化产物应该是CO、CO2并存;如果第一步自发,第二步在相同的条件下不能自发,则说明C和CuO的反应的氧化产物应该是CO。
同理,对于C和SiO2的反应,也可以从两步考虑,第一步2C(s) SiO2(s)高温Si(s) 2CO(g),第二步
2CO(g) SiO2(s)高温2CO2(g) Si(s)。如果第一步自发,第二步在相同条件下也自发,则说明C和SiO2的反应的氧化产物是CO、CO2并存;如果第一步自发,第二步在相同的条件下不能自发,则说明C和SiO2的反应的氧化产物应该是CO。
三、 计算
已知:
表1热力学相关数据
ΔGmΘ(kJ/mol)ΔHmΘ(kJ/mol)ΔSmΘ(J·K-1·mol-1)
C005.74
CO-137.15-110.52197.56
CO2-394.36-393.51213.64
Si0018.83
SiO2-856.67-910.9441.84
Cu0033.15
CuO-129.7-157.342.6
1. 对反应:C(s) 2CuO(s)高温2Cu(s) CO2(g):
假设C和CuO先发生反应:C(s) CuO(s)高温Cu(s) CO(g)
则ΔrGmΘ(298K)=ΔGmΘ(CO)-ΔGmΘ(CuO)
=-137.15kJ/mol-(-129.7kJ/mol)
=-7.45kJ/mol<0自发
接着发生反应:CO(g) CuO(s)高温Cu(s) CO2(g)
则ΔrGmΘ(298K)= ΔGmΘ(CO2)-{ΔGmΘ(CuO) ΔGmΘ(CO)}
=-394.36kJ/mol-(-129.7kJ/mol-137.15kJ/mol)
=-127.51kJ/mol<0自发
结论:即使C和CuO先生成CO,CO也能和CuO自发生成CO2,所以C和CuO的氧化产物应该是CO2。
2. 对反应:2C(s) SiO2(s)高温Si(s) 2CO(g):
则ΔrGmΘ(298K)= ΔGmΘ(CO)×2-ΔGmΘ(SiO2)
=-137.15kJ/mol×2-(-856.67kJ/mol)
=582.37kJ/mol>0不自发
同理:ΔrHmΘ(298K)=ΔHmΘ(CO)×2-ΔHmΘ(SiO2)
=-110.52kJ/mol×2-(-910.94kJ/mol)
=689.9kJ/mol
ΔrSmΘ(298K)= ΔfSmΘ(CO)×2 ΔfSmΘ(Si)-{ΔSmΘ(SiO2) ΔfSmΘ(C)×2}=197.56J·K-1·mol-1×2 18.83J·K-1·mol-1-{41.84 J·K-1·mol-1 5.74J·K-1·mol-1×2}
=360.63J·K-1·mol-1
根据ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ
当ΔrGmΘ<0时自发,689.9kJ/mol×1000-T×360.63J·K-1·mol-1<0
T>1913.0K
所以,当温度高于1913.0K时,反应自发。
假设:CO和SiO2继续发生反应2CO(g) SiO2(s)高温2CO2(g) Si(s)
则ΔrGmΘ(298K)=ΔGmΘ(CO2)×2-{ΔGmΘ(SiO2) 2×
ΔfΘ(CO)}
=-394.36kJ/mol×2-{-856.67kJ/mol 2×(-137.15kJ/mol)}
=342.25kJ/mol>0不自发
同理:ΔrHmΘ(298K)=ΔHmΘ(CO2)×2-{ΔHmΘ(SiO2) 2×
ΔfHmΘ(CO)}
=-393.51kJ/mol×2-{(-910.94kJ/mol) 2×(-110.52kJ/mol)}
=344.96kJ/mol
ΔrSmΘ(298K)=ΔSmΘ(CO2)×2 ΔSmΘ(Si)-
{ΔSmΘ(SiO2) ΔSmΘ(CO)×2}
=213.64J·K-1·mol-1×2 18.83J·K-1·mol-1-{41.84J·K-1·mol-1 197.56J·K-1·mol-1×2}
=9.15J·K-1·mol-1
根據ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ
当ΔrGmΘ<0时自发,344.96kJ/mol×1000-T×9.15J·K-1·mol-1<0
T>37700.5K
所以,当温度高于37700.5K时,反应自发。
四、 结论
对于C和CuO的反应,常温下第一步自发,第二步在相同的条件下也自发,则说明C和CuO反应的最终氧化产物是CO还是CO2取决于C和CuO的投料比例,如果C足量,则最终的氧化产物是CO,如果CuO足量,则最终的氧化产物是CO2。
对于C和SiO2的反应,第一步反应在1913.0K时,自发,第二步在相同的条件下不能自发,则说明C和SiO2的反应的最终氧化产物只能是CO。
作者简介:卞海燕,江苏省常州市,溧阳市光华高级中学。