孫家娟 范 廣張引莉 馬占營(yíng) 高豐琴 徐維霞（咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽(yáng)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(yíng) 高豐琴 徐維霞
（咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽(yáng)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(guò)吉布斯-亥姆霍茲方程計(jì)算得出，在反應(yīng)溫度高于626 K時(shí)，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(duì)無(wú)機(jī)合成的指導(dǎo)意義，又可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)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(lèi)專(zhuān)業(yè)大一無(wú)機(jī)化學(xué)課程化學(xué)熱力學(xué)章節(jié)的教學(xué)過(guò)程中，如何使學(xué)生掌握和運(yùn)用化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)去解決具體的化學(xué)問(wèn)題，是該章節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文利用化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)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(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)的理解，使學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)解決具體的化學(xué)問(wèn)題。

1 問(wèn)題的提出

現(xiàn)行化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)大一無(wú)機(jī)化學(xué)教材在介紹鐵元素的氯化物時(shí)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(guò)計(jì)算提出了問(wèn)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(fù)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(gè)反應(yīng)都是可以自發(fā)進(jìn)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。可是為什么氯氣和鐵粉在高溫下的反應(yīng)產(chǎn)物卻只有三氯化鐵？針對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題，本文將利用大一所學(xué)的化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)來(lái)進(jìn)行討論，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)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(guò)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(shí)判斷化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性時(shí)，存在一個(gè)誤區(qū)，即認(rèn)為能夠自發(fā)進(jìn)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(gè)推論是成立的。但是，對(duì)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(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的自發(fā)性，而不能用于說(shuō)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(shí)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(gè)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(jì)算出上述3個(gè)反應(yīng)在298.15 K和100 kPa時(shí)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(shí)，上述3個(gè)反應(yīng)的ΔrG都小于0，根據(jù)等溫等壓下過(guò)程自發(fā)性的判據(jù)，上述3個(gè)反應(yīng)都可以自發(fā)進(jìn)行。也就是說(shuō)，鐵粉與氯氣反應(yīng)時(shí)，在生成FeCl2（s）和FeCl3（s）這兩種氯化物的同時(shí)，還進(jìn)行著FeCl2（s）進(jìn)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(shuō)明上述3個(gè)反應(yīng)的自發(fā)性，不能用298.15 K下的ΔrG進(jìn)行判斷，因?yàn)榧妓?亥姆霍茲方程ΔrG（T）=ΔrH－TΔrS表明，溫度的變化對(duì)ΔrG有著很大的影響。由于鐵粉在氯氣中燃燒時(shí)，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(duì)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(jìn)行計(jì)算，得到上述3個(gè)反應(yīng)在500 K和100 kPa時(shí)的ΔrG，結(jié)果列于表2。從表2可以看出，在500 K和100 kPa時(shí)，上述3個(gè)反應(yīng)的ΔrG仍然小于0，即3個(gè)反應(yīng)都可以自發(fā)進(jìn)行，也就是說(shuō)，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(xì)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(duì)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(duì)ΔrH和ΔrS的影響很小，可以忽略不計(jì)）計(jì)算出了反應(yīng)（3）的轉(zhuǎn)折溫度為626 K，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度高于626 K時(shí)，反應(yīng)（3）逆向進(jìn)行，反應(yīng)（2）生成的FeCl3（s）開(kāi)始分解為FeCl2（s）和氯氣，此時(shí)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(guò)熱力學(xué)計(jì)算可知，在合適的反應(yīng)溫度下，反應(yīng)（1）、（2）、（3）可同時(shí)進(jìn)行，雖然鐵粉和氯氣可生成FeCl2（s），但FeCl2（s）會(huì)進(jìn)一步和氯氣反應(yīng)生成FeCl3（s），此時(shí)，F(xiàn)eCl3（s）是氯氣和鐵粉反應(yīng)的唯一產(chǎn)物。

②通過(guò)熱力學(xué)計(jì)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(jìn)行，即FeCl3（s）分解為FeCl2（s）和氯氣。此時(shí)，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(duì)無(wú)機(jī)合成的指導(dǎo)意義，又可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。

③在教學(xué)過(guò)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(shí)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(fù)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(gè)問(wèn)題同樣可以利用本文所涉及到的熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)進(jìn)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(shí)融會(huì)貫通，起到舉一反三的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

［1］北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)化學(xué).第3版.北京:高等教育出版社，1994.

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［4］史啟禎.無(wú)機(jī)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(lèi)號(hào)：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(xiàng)目（13BZ52）；陜西省化學(xué)專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目（陜教高［2014］16號(hào)，第57項(xiàng)）

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