鐵粉與氯氣反應能生成二氯化鐵嗎？

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

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·自學之友·

鐵粉與氯氣反應能生成二氯化鐵嗎？

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

摘要：從化學熱力學基本原理出發，解釋了在合適的反應溫度下，鐵粉與氯氣反應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，在反應溫度高于626 K時，鐵粉與氯氣反應將生成二氯化鐵。這既體現了化學熱力學對無機合成的指導意義，又可增強學生對化學熱力學知識的理解和應用。

關鍵詞：化學熱力學；氯化亞鐵；氯化鐵；吉布斯-亥姆霍茲方程

在化學類專業大一無機化學課程化學熱力學章節的教學過程中，如何使學生掌握和運用化學熱力學基礎知識去解決具體的化學問題，是該章節的教學重點和難點。本文利用化學熱力學基礎知識解釋鐵粉與氯氣反應生成三氯化鐵的原因，并討論能否生成二氯化鐵，以此增強學生對化學熱力學知識的理解，使學生學會運用化學熱力學知識解決具體的化學問題。

1 問題的提出

現行化學類專業大一無機化學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生成三氯化鐵。但是部分學生在查閱298.15 K和100 kPa相關物種的熱力學數據后，通過計算提出了問題：FeCl3（s）和FeCl2（s）這兩種化合物的標準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生成FeCl3（s）和FeCl2（s）的標準摩爾反應吉布斯自由能ΔrG都小于零，表明兩個反應都是可以自發進行的，而且FeCl3（s）和FeCl2（s）這兩種化合物在常溫常壓下都是可以穩定存在的?？墒菫槭裁绰葰夂丸F粉在高溫下的反應產物卻只有三氯化鐵？針對學生提出的問題，本文將利用大一所學的化學熱力學知識來進行討論，以增強學生對化學熱力學知識的理解和應用。

表1 298.15 K和100 kPa下一些物種的熱力學數據［5］

2 鐵粉與氯氣反應生成FeCl3（s）的熱力學討論

經過與學生交流發現，學生在利用化學熱力學基礎知識判斷化學反應自發性時，存在一個誤區，即認為能夠自發進行的反應，反應產物就應該是穩定的。

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的鐵元素而言，鐵粉和氯氣反應生成FeCl3（s）和FeCl2（s）的標準摩爾反應吉布斯自由能ΔrG只能用于說明反應進行的自發性，而不能用于說明FeCl3（s）和FeCl2（s）哪種化合物是最穩定產物。要想判斷FeCl3（s）和FeCl2（s）中的最穩定產物，還要同時考查上述兩種化合物相互轉化反應的自發性，即下面3個反應：

參考表1中的相關數據，根據ΔrGm?=Σ（υBΔfG?m（B））可以計算出上述3個反應在298.15 K和100 kPa時的ΔrGm?，結果列于表2。

表2 不同條件下各反應的熱力學數據

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

為了準確地說明上述3個反應的自發性，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。根據教材介紹，我們選取500 K作為反應溫度進行計算，得到上述3個反應在500 K和100 kPa時的ΔrG，結果列于表2。從表2可以看出，在500 K和100 kPa時，上述3個反應的ΔrG仍然小于0，即3個反應都可以自發進行，也就是說，在該反應條件下，FeCl3（s）是鐵粉和氯氣反應的穩定產物。

3 鐵粉與氯氣反應能生成FeCl2（s）嗎？

仔細觀察反應（3）的ΔrH和ΔrS的數值，二者均小于0，根據ΔrH、ΔrS以及T對化學反應ΔrG（T）的影響規律判斷［3］，反應（3）在高溫下將變為非自發反應。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，溫度對ΔrH和ΔrS的影響很小，可以忽略不計）計算出了反應（3）的轉折溫度為626 K，計算結果表明，當反應溫度高于626 K時，反應（3）逆向進行，反應（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的穩定產物。

4 結論

①通過熱力學計算可知，在合適的反應溫度下，反應（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生成FeCl3（s），此時，FeCl3（s）是氯氣和鐵粉反應的唯一產物。

②通過熱力學計算還可以發現，反應溫度不能高于626 K。若反應溫度高于626 K，反應（3）將逆向進行，即FeCl3（s）分解為FeCl2（s）和氯氣。此時，鐵粉和氯氣反應的穩定產物將變成FeCl2（s）。這既體現了化學熱力學對無機合成的指導意義，又可增強學生對化學熱力學知識的理解和應用。

③在教學過程中，可以引導學生利用本文所涉及到的熱力學基礎知識去討論、解釋其他具有可變氧化數的金屬單質與鹵素（或者氧氣）反應的最穩定產物。例如，CuO（s）和Cu2O（s）這兩種化合物的標準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基礎知識來進行解釋。這樣就能使學生將所學的熱力學基礎知識融會貫通，起到舉一反三的教學效果。

參考文獻

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

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

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

［4］史啟禎.無機化學與化學分析.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校教育教學研究項目（13BZ52）；陜西省化學專業復合型人才培養模式創新試驗區項目（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