题目

金属铁的冶炼是利用下列反应：Fe2O3(s) + 3CO(g) = 2Fe(s) + 3CO2(g) 已知下列热力学数据（298 K）： Fe2O3(s) CO(g) Fe(s) CO2(g) △fHm/ (kJ.mol-1) -824.2 -110.5 0 -393.5 Sm/ (J.mol-1K-1) 87.4 197.6 27.3 213.6 （1）求298 K时该反应的△rHm、△rSm、△rGm；（2）该反应在298 K下自发进行吗？可以在室温下以CO为还原剂进行冶炼Fe吗？（3）高温时该反应会转变为逆向自发进行的反应吗？

题目解答

答案

解 (a) △rHm=2△Hf[Fe(s)]+3△Hf[CO2(g)] – △Hf [ Fe2O3(s)]- 3△Hf[CO(g)] = 2×0 + 3×(-393.5) – (-824.2) - 3×(-110.5) = -24.8 kJ.mol-1 △rSm=2S[Fe(s)]+3S[CO2(g)]- S[ Fe2O3(s)]- 3S[CO(g)] = 2×27.3 + 3×213.6 – 87.4 - 3×197.3 = 15.0 J.mol-1.K-1 = 0.0150 kJ.mol-1.K-1 △rGm= △rHm - T△rSm = -29.3 kJ.mol-1 (b) 因为△rGm< 0 kJ.mol-1，所以该反应298 K正向自发进行。但通常不是在室温下进行Fe的冶炼，因为反应实际进行除了考虑热力学因素，还有动力学因素，室温下CO还原Fe2O3反应速度比较慢，所以一般不是在室温下以CO为还原剂进行冶炼Fe。 (c) 根据△rGm= △rHm - T△rSm，当没有相变发生，温度差不大的时候，可以用298 K时的△rHm 、△rSm估算高温下的△rGm；因为△rHm < 0 kJ.mol-1而且△rSm > 0 J.mol-1.K-1，所以随温度升高将△rGm恒小于零，即高温时该反应不会转变为逆向自发进行的反应。

解析

步骤 1：计算反应的焓变（△rHm）
根据反应方程式，计算反应的焓变（△rHm）需要使用反应物和生成物的标准生成焓（△fHm）。
步骤 2：计算反应的熵变（△rSm）
根据反应方程式，计算反应的熵变（△rSm）需要使用反应物和生成物的标准熵（Sm）。
步骤 3：计算反应的吉布斯自由能变（△rGm）
根据反应方程式，计算反应的吉布斯自由能变（△rGm）需要使用反应的焓变（△rHm）和熵变（△rSm）。
步骤 4：判断反应在298 K下是否自发进行
根据反应的吉布斯自由能变（△rGm）判断反应在298 K下是否自发进行。
步骤 5：判断反应在高温下是否会转变为逆向自发进行的反应
根据反应的焓变（△rHm）和熵变（△rSm）判断反应在高温下是否会转变为逆向自发进行的反应。