我对铁丝燃烧实验的一些看法

用热力学分析铁和氧气反应的产物桃花源一中何晓博摘要通过计算铁与氧气反应生成铁的各种不同氧化物的反应吉布斯自由能的变化量，从而得出在不同条件下生成哪种氧化物，使我们能明确为什么在空气中发生缓慢氧化生成三氧化二铁，在纯净的氧气中燃烧生成四氧化三铁。关键词铁的氧化物自由能变化量氧化亚铁四氧化三铁三氧化二铁正文众所周知，初中化学中铁和氧气反应有两个：①铁在纯净的氧气中燃烧生成四氧化三铁；②铁在空气中发生缓慢氧化生成三氧化二铁，根据现行的教材，分别出现在《九年级义务教育教科书化学》实验2-4和《九年级义务教育教科书化学》第八单元第三节。在我们教授这些知识时，往往会提出反应的条件不同，所以产物不同，这些对初中生来说已经足够了，但对于教师，仅知道这些就不够了，所以今天在此作一些讨论。一、从热力学的角度初步分析反应能进行的原因铁的氧化物主要有氧化亚铁、四氧化三铁和三氧化二铁，我们先从热力学的角度分析，生成这些氧化物时是否可以自发进行，从资料中查到以下一些数据：物质△fHmθ/KJ·mol-1Smθ/J·mol-1·K-1△fGmθ/KJ·mol-1O2（g）Fe（s）FeOFe2O3（s）Fe3O4根据以上数据，我们计算以下三个反应的自由能变化量：①Fe（s）+½O2（g）=FeO（s）△rGmθ=△fGmθ（FeO）=·mol-1②¾Fe（s）+½O2（g）=¼Fe3O4（s）△rGmθ=¼△fGmθ（Fe3O4）=KJ·mol-1③⅔Fe（s）+½O2（g）=⅓Fe2O3（s）△rGmθ=⅓△fGmθ（Fe2O3）=KJ·mol-由以上的计算可知，以上三个反应的自由能的变化均大于零，所以上述三个反应均能自发进行。可见铁和氧气的的反应在标准状况下是可以进行的，但上述计算并不能确定在何种状况下能生成哪种氧化物，所以，我们准备引入两个铁的氧化物之间相互转化的反应来加以分析。二、铁的氧化物之间的相互转化1、氧化亚铁转化为四氧化三铁④3FeO（s）+½O2（g）⇋Fe3O4（s）该反应的自由能变化量为：△rGmθ=△fGmθ（Fe3O4）-3△fGmθ（FeO）=KJ·mol-12、四氧化三铁转化为三氧化二铁⑤2Fe3O4（s）+½O2（g）⇋3Fe2O3（s）该反应的自由能变化量为：△rGmθ=3△fGmθ（Fe2O3）-2△fGmθ（Fe3O4）=KJ·mol-1由以上的计算可知，在标准状况下，以上反应都能自发进行，也就是说：氧化亚铁能自发转化为四氧化三铁，四氧化三铁能自发转化为三氧化二铁，这和我们得预期是相符的，在常温下，铁和氧气发生反应是生成三氧化二铁。当然铁生锈的反应是复杂的，其他条件不在讨论之列。三、在非标准状态铁和氧气反应的分析铁在纯净的氧气中燃烧是一个非标态的反应，所以需要在非标准状态下进行讨论。首先我们忽略温度对焓变和熵变影响，计算出在非标准状态下几种铁的氧化物生成吉布斯自由能。铁在氧气中燃烧的温度很难直接测量，但根据燃烧时的现象，铁已经转化为熔融状态，四氧化三铁则是固态，所以推测出其反应的温度在铁的熔点和四氧化三铁的熔点之间，查阅数据，铁的熔点为1811K，四氧化三铁的熔点为1867K，所以取一个中间数作1820K作为反应时的温度，则几种铁的氧化物在该温度时的生成吉布斯自由能为：△fGmθ（1820K，FeO）=△fHmθ（FeO）-T[∑VBSmθ]=KJ·mol-1△fGmθ（1820K，Fe3O4）=△fHmθ（Fe3O4）-T[∑VBSmθ]=KJ·mol-1△fGmθ（1820K，Fe2O3）=△fHmθ（Fe2O3）-T[∑VBSmθ]=KJ·mol-那么，反应④的自由能变化量为：△rGmθ=△fGmθ（1820K，Fe3O4）-3△fGmθ（1820K，FeO）=·mol-1<0反应⑤的自由能变化量为：△rGmθ=3△fGmθ（1820K，Fe2O3）-2△fGmθ（1820K，Fe3O4）=·mol-1>0以上计算结果表明，在温度为1820K时，反应④自发向右进行，也就是说：在该温度下，氧化亚铁会自发转化为四氧化三铁，所以铁丝燃烧不会生成氧化亚铁；在温度为1820K时，反应⑤自发向左进行，也就是说：在该温度下，三氧化二铁会自发脱氧，转化为四氧化三铁。由此我们可以得出结论，铁丝在氧气中燃烧不会生成氧化亚铁和三氧化二铁，只能是生成四氧化三铁，这与实验的结果也是相匹配的。四、生成各种氧化物的临界条件的计算其实作为教师，我们很关心在什么条件下生成氧化铁，什么条件下生成氧化亚铁，什么条件下又会生成四氧化三铁，在这里，我们就温度条件作一些讨论，其他条件暂不讨论。根据前面的计算，我们将公式进行联立，便可的到如下方程：△fHmθ（Fe3O4）-T[∑VBSmθ]-3△fHmθ（FeO）+3T[∑VBSmθ]=0代入数据可知，T=2400K时，反应④达到平衡。即，当温度高于2400K时，四氧化三铁将脱氧转化为氧化亚铁；当温度低于2400K时，氧化亚铁转化为四氧化三铁。同理：在反应⑤中：3△fHmθ（Fe2O3）-3T[∑VBSmθ]-2△fHmθ（Fe3O4）+2T[∑VBSmθ]=0代入数据，T=，说明当温度高于时，三氧化二铁将转化为四氧化三铁，而低于这个温度时，将生成三氧化二铁。综上所述：当温度在常温到时，铁与氧气反应将生成三氧化二铁；当温度在到之间时，铁和氧气反应将生成四氧化三铁；而温度高于时，铁和氧气将生成氧化亚铁，这和实际情况已经非常接近了。在此，作为教师，我们可以大胆的告诉学生，铁丝在纯净的氧气中燃烧将生成四氧化三