鐵粉與氯氣反應(yīng)能生成二氯化鐵嗎？

孫家娟 范 廣張引莉 馬占營 高豐琴 徐維霞（咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽712000）

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·自學(xué)之友·

鐵粉與氯氣反應(yīng)能生成二氯化鐵嗎？

孫家娟 范 廣*張引莉 馬占營 高豐琴 徐維霞
（咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽712000）

摘要：從化學(xué)熱力學(xué)基本原理出發(fā)，解釋了在合適的反應(yīng)溫度下，鐵粉與氯氣反應(yīng)生成三氯化鐵的原因。并通過吉布斯-亥姆霍茲方程計算得出，在反應(yīng)溫度高于626 K時，鐵粉與氯氣反應(yīng)將生成二氯化鐵。這既體現(xiàn)了化學(xué)熱力學(xué)對無機合成的指導(dǎo)意義，又可增強學(xué)生對化學(xué)熱力學(xué)知識的理解和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：化學(xué)熱力學(xué)；氯化亞鐵；氯化鐵；吉布斯-亥姆霍茲方程

在化學(xué)類專業(yè)大一無機化學(xué)課程化學(xué)熱力學(xué)章節(jié)的教學(xué)過程中，如何使學(xué)生掌握和運用化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識去解決具體的化學(xué)問題，是該章節(jié)的教學(xué)重點和難點。本文利用化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識解釋鐵粉與氯氣反應(yīng)生成三氯化鐵的原因，并討論能否生成二氯化鐵，以此增強學(xué)生對化學(xué)熱力學(xué)知識的理解，使學(xué)生學(xué)會運用化學(xué)熱力學(xué)知識解決具體的化學(xué)問題。

1 問題的提出

現(xiàn)行化學(xué)類專業(yè)大一無機化學(xué)教材在介紹鐵元素的氯化物時指出［1－4］：氯氣和鐵粉在高溫下直接反應(yīng)生成三氯化鐵。但是部分學(xué)生在查閱298.15 K和100 kPa相關(guān)物種的熱力學(xué)數(shù)據(jù)后，通過計算提出了問題：FeCl3（s）和FeCl2（s）這兩種化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能ΔfG都是負值（表1），因此鐵粉和干燥氯氣反應(yīng)生成FeCl3（s）和FeCl2（s）的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)吉布斯自由能ΔrG都小于零，表明兩個反應(yīng)都是可以自發(fā)進行的，而且FeCl3（s）和FeCl2（s）這兩種化合物在常溫常壓下都是可以穩(wěn)定存在的?？墒菫槭裁绰葰夂丸F粉在高溫下的反應(yīng)產(chǎn)物卻只有三氯化鐵？針對學(xué)生提出的問題，本文將利用大一所學(xué)的化學(xué)熱力學(xué)知識來進行討論，以增強學(xué)生對化學(xué)熱力學(xué)知識的理解和應(yīng)用。

表1 298.15 K和100 kPa下一些物種的熱力學(xué)數(shù)據(jù)［5］

2 鐵粉與氯氣反應(yīng)生成FeCl3（s）的熱力學(xué)討論

經(jīng)過與學(xué)生交流發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在利用化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識判斷化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性時，存在一個誤區(qū)，即認(rèn)為能夠自發(fā)進行的反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物就應(yīng)該是穩(wěn)定的。

雖然在某些情況下，這個推論是成立的。但是，對于具有可變氧化數(shù)的鐵元素而言，鐵粉和氯氣反應(yīng)生成FeCl3（s）和FeCl2（s）的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)吉布斯自由能ΔrG只能用于說明反應(yīng)進行的自發(fā)性，而不能用于說明FeCl3（s）和FeCl2（s）哪種化合物是最穩(wěn)定產(chǎn)物。要想判斷FeCl3（s）和FeCl2（s）中的最穩(wěn)定產(chǎn)物，還要同時考查上述兩種化合物相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)的自發(fā)性，即下面3個反應(yīng)：

參考表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)ΔrGm?=Σ（υBΔfG?m（B））可以計算出上述3個反應(yīng)在298.15 K和100 kPa時的ΔrGm?，結(jié)果列于表2。

表2 不同條件下各反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

從表2可以看出，在298.15 K和100 kPa時，上述3個反應(yīng)的ΔrG都小于0，根據(jù)等溫等壓下過程自發(fā)性的判據(jù)，上述3個反應(yīng)都可以自發(fā)進行。也就是說，鐵粉與氯氣反應(yīng)時，在生成FeCl2（s）和FeCl3（s）這兩種氯化物的同時，還進行著FeCl2（s）進一步和氯氣反應(yīng)生成FeCl3（s）的反應(yīng)，即FeCl3（s）是鐵粉和氯氣反應(yīng)的穩(wěn)定產(chǎn)物。

為了準(zhǔn)確地說明上述3個反應(yīng)的自發(fā)性，不能用298.15 K下的ΔrG進行判斷，因為吉布斯-亥姆霍茲方程ΔrG（T）=ΔrH－TΔrS表明，溫度的變化對ΔrG有著很大的影響。由于鐵粉在氯氣中燃燒時，反應(yīng)溫度肯定比室溫要高得多，所以，必須考慮溫度的變化對ΔrG的影響。根據(jù)教材介紹，我們選取500 K作為反應(yīng)溫度進行計算，得到上述3個反應(yīng)在500 K和100 kPa時的ΔrG，結(jié)果列于表2。從表2可以看出，在500 K和100 kPa時，上述3個反應(yīng)的ΔrG仍然小于0，即3個反應(yīng)都可以自發(fā)進行，也就是說，在該反應(yīng)條件下，F(xiàn)eCl3（s）是鐵粉和氯氣反應(yīng)的穩(wěn)定產(chǎn)物。

3 鐵粉與氯氣反應(yīng)能生成FeCl2（s）嗎？

仔細觀察反應(yīng)（3）的ΔrH和ΔrS的數(shù)值，二者均小于0，根據(jù)ΔrH、ΔrS以及T對化學(xué)反應(yīng)ΔrG（T）的影響規(guī)律判斷［3］，反應(yīng)（3）在高溫下將變?yōu)榉亲园l(fā)反應(yīng)。我們利用吉布斯-亥姆霍茲方程ΔrG（T）≈ΔrH（298.15 K）－TΔrS（298.15 K）（一定溫度范圍內(nèi)，溫度對ΔrH和ΔrS的影響很小，可以忽略不計）計算出了反應(yīng)（3）的轉(zhuǎn)折溫度為626 K，計算結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度高于626 K時，反應(yīng)（3）逆向進行，反應(yīng)（2）生成的FeCl3（s）開始分解為FeCl2（s）和氯氣，此時FeCl2（s）將變成鐵粉和氯氣反應(yīng)的穩(wěn)定產(chǎn)物。

4 結(jié)論

①通過熱力學(xué)計算可知，在合適的反應(yīng)溫度下，反應(yīng)（1）、（2）、（3）可同時進行，雖然鐵粉和氯氣可生成FeCl2（s），但FeCl2（s）會進一步和氯氣反應(yīng)生成FeCl3（s），此時，F(xiàn)eCl3（s）是氯氣和鐵粉反應(yīng)的唯一產(chǎn)物。

②通過熱力學(xué)計算還可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度不能高于626 K。若反應(yīng)溫度高于626 K，反應(yīng)（3）將逆向進行，即FeCl3（s）分解為FeCl2（s）和氯氣。此時，鐵粉和氯氣反應(yīng)的穩(wěn)定產(chǎn)物將變成FeCl2（s）。這既體現(xiàn)了化學(xué)熱力學(xué)對無機合成的指導(dǎo)意義，又可增強學(xué)生對化學(xué)熱力學(xué)知識的理解和應(yīng)用。

③在教學(xué)過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生利用本文所涉及到的熱力學(xué)基礎(chǔ)知識去討論、解釋其他具有可變氧化數(shù)的金屬單質(zhì)與鹵素（或者氧氣）反應(yīng)的最穩(wěn)定產(chǎn)物。例如，CuO（s）和Cu2O（s）這兩種化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能ΔfG都是負值，但銅在空氣中加熱生成的只能是CuO（s），而且CuO（s）在高溫下可以分解為Cu2O（s）；這個問題同樣可以利用本文所涉及到的熱力學(xué)基礎(chǔ)知識來進行解釋。這樣就能使學(xué)生將所學(xué)的熱力學(xué)基礎(chǔ)知識融會貫通，起到舉一反三的教學(xué)效果。

參考文獻

［1］北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無機化學(xué).第4版.北京:高等教育出版社，2003.

［2］武漢大學(xué)，吉林大學(xué).無機化學(xué).第3版.北京:高等教育出版社，1994.

［3］天津大學(xué)無機化學(xué)教研室.無機化學(xué).第4版.北京:高等教育出版社，2010.

［4］史啟禎.無機化學(xué)與化學(xué)分析.第3版.北京:高等教育出版社，2011.

［5］Speight，J.G.Lange's Handbook of Chemistry，16th ed.；CD&W Inc.:Laramie，Wyoming，2014.

中圖分類號：O61；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160480www.dxhx.pku.edu.cn

*通訊作者，Email:fanguang2004@163.com

基金資助：陜西公辦本科高等學(xué)校教育教學(xué)研究項目（13BZ52）；陜西省化學(xué)專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新試驗區(qū)項目（陜教高［2014］16號，第57項）

Can lron Powder React with Chlorine to Produce lron（ll）Dichloride？

SUN Jia-Juan FAN Guang*ZHANG Yin-Li MAZhan-Ying GAO Feng-Qin XU Wei-Xia
（College of Chemistry&Chemical Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi Province，P.R.China）

Abstract:In this article，the reason that the iron powder reacts with chlorine to produce iron（III）trichloride under appropriate conditions is explained according to fundamentals of chemical thermodynamics.And the calculation result from Gibbs-Helmholtz equation reveals that the iron powder can react with chlorine to produce iron（II）dichloride at the temperature higher than 626 K.The calculation can not only reflect the guidance of chemical thermodynamics on inorganic synthesis，but also enhance students′ability to comprehend and apply chemical thermodynamics basic knowledge.

Key Words:Chemical thermodynamics；Iron dichloride；Iron trichloride；Gibbs-Helmholtz equation