一个3Fe+4H2O=高温=Fe3O4+4H2的问题

一个3Fe+4H2O=高温=Fe3O4+4H2的问题

解释这个，需要用大学一年级的无机化学中的原理。以下是详解。3Fe(s)+4H2O(g)======Fe3O4(s)+4H2(g) K=[H2]^4/[H2O]^4反应前后气体分子数没有改变，所以反应是恒压的。反应的平衡常数K是氢气压强的四次幂与水蒸气压强的四次幂之比，也就是氢气的物质的量与水蒸气的物质的量的比的四次幂。查热力学数据表，可以查到此反应在标准状态下，摩尔反应焓变ΔH＝－151.2kJ/mol，摩尔反应熵变ΔS＝－167.9J/(mol·K)。Gibbs自由能变为ΔGΔG＝ΔH－T×ΔS当Gibbs自由能变小于0时，反应是自发的，当吉布斯自由能变等于0时，反应达到化学平衡。若令ΔG＜0，即ΔH－T×ΔS＜0，ΔH＜T×ΔST＜ΔH/ΔS时，反应自发进行（因为ΔS定性分析，不考虑反应时水蒸气和氢气的分压改变，热力学逆转温度为[－151200J/mol]/[－167.9J/(mol·K)]=900.5K，所以温度小于900.5K时，正反应为自发的，铁和水转化为四氧化三铁和氢气，而温度高于900.5K时，逆反应是自发的。温度等于900.5K时，是平衡状态，即所谓的“铁与氢气夺氧的能力相同”。900.5K约为627.5℃。实际上，这个反应条件不是高温，而是350℃。（高一做实验时，用的是酒精灯，而不是煤气灯等高温热源。我后边的插的图有数据）当温度为350℃即623K时，ΔG＝ΔH－T×ΔS＝－151200－623×（－167.9）＝－46598J/mol由热力学公式，有K＝e^(-ΔG/RT)＝8075即([H2]/[H2O])^4=8075[H2]/[H2O]=9.5所以，当氢气的物质的量是水的9.5倍，反应达到平衡。即每21molH2O将有19mol转化为H2，最终剩余2mol。转化率为90.5%。而当温度在1300K时，用同样的方法，计算出K＝0.0020即[H2]/[H2O]=0.21所以，当水的物质的量是氢气的5倍时，反应达到平衡。即每6molH2将有5mol转化为H2O，最终剩余1mol。而如果及时把生产的水吸收或消耗掉，使氢气的压强大于水的5倍，氢气就会继续转化为水，以趋向于5。所以高温下，氢气可以还原四氧化三铁，得到铁单质。结论：氢气在温度较高时，有更强的还原性。这个结论也可以用熵变来解释，因为氢气的氧化产物是水蒸气，水蒸气的分子量是大的，所以水蒸气的摩尔熵是大于氢气的。温度越高，熵变对反应方向的影响越大（因为比较的项是“焓变”与“熵变与热力学温度的乘积”）相关图片：350℃时，铁还原水蒸气


1050～1100℃时，氢气还原四氧化三铁和氧化铁


知道团队_化学学派参考资料：原创

这个反应中，氢气和铁单质都是具有还原性的。也就是在高温中，氢气和铁都可以将Fe3O4中的氧还原出来。因为最初没有氢气的时候，只有铁在参与反应，然后有生成的氢气也参与了反应，这样生成的氢气会继续参与反应，但是铁也会还原水。最后，当铁还原水的能力和氢气还原四氧化三铁的能力相同的时候，他们的速率相同，整个反应就处于了一个动态平台，也就是在表现看起来并没有再继续反应。所以我们就是说，反应停止。
这期间涉及到一定的化学平衡的思想，你可以寻找一下那方面资料了解一下。虽然这个反应不是可逆反应，但是里面的原理用化学平衡的原理是解释的通的。因为带着一个动态平衡。

记住元素活性的顺序
钾钙纳镁铝锌铁锡铅氢铜汞银铂金
铁在氢气前面 这个反应在高温状态下 只向右进行
氢气的还原性比铁差

复杂点要扯到不同温度下的Gibbis自由能了，其实在高温下这个反应有可能有三种产物：氧化铁、氧化亚铁、Fe3O4。但是高温下产生Fe3O4的平衡常数大，所以平衡往Fe3O4的方向移动了。 具体的请看《无机化学》大连理工出版社出版的，对这一问题有深刻分析。（好像是这个出版社吧....汗）