從熱力學角度解釋C還原CuO、SiO2氧化產物

卞海燕??

摘要：針對學生初三學過的碳還原氧化銅的氧化產物是二氧化碳，而高一同樣碳還原二氧化硅的氧化產物卻是一氧化碳，假定反應分兩步進行，碳還原氧化銅、二氧化硅先到CO，再CO與氧化物反應生成CO2，從熱力學角度解釋最終的氧化產物。

關鍵詞：熱力學；碳；氧化產物

一、 問題的提出

學生在初中學過一個反應：C（s）+2CuO（s）高溫2Cu（s）+CO2（g），而高中化學必修一課本上有這樣一個反應：

2C（s）+SiO2（s）高溫Si（s）+2CO（g），于是，有了這樣的疑問：“C和CuO高溫條件下的氧化產物為什么是CO2，有沒有可能有CO？而C和SiO2高溫條件下的氧化產物為什么又是CO，有沒有可能有CO2？”

筆者百度了一下，有的認為：“C在還原CuO的時候首先產生CO，當C不足的時候會繼續產生CO2。C還原SiO2也是這個道理，但SiO2不被CO還原，因此就算你C再少也得不到CO2。”

在這種說法中，認為C還原CuO的氧化產物，既有CO，又有CO2，而C還原SiO2的氧化產物只能是CO，是不是這樣呢？

二、 理論依據

根據熱力學原理，一個反應能不能進行，取決于這個反應的ΔrGmΘ，當ΔrGmΘ<0時，該反應自發，而ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ。

對于C和CuO的反應，可以從兩步考慮，第一步C（s）+CuO（s）高溫Cu（s）+CO（g），第二步

CO（g）+CuO（s）高溫Cu（s）+CO2（g）。如果第一步自發，第二步在相同的條件下也自發，則說明C和CuO的反應的氧化產物應該是CO、CO2并存；如果第一步自發，第二步在相同的條件下不能自發，則說明C和CuO的反應的氧化產物應該是CO。

同理，對于C和SiO2的反應，也可以從兩步考慮，第一步2C（s）+SiO2（s）高溫Si（s）+2CO（g），第二步

2CO（g）+SiO2（s）高溫2CO2（g）+Si（s）。如果第一步自發，第二步在相同條件下也自發，則說明C和SiO2的反應的氧化產物是CO、CO2并存；如果第一步自發，第二步在相同的條件下不能自發，則說明C和SiO2的反應的氧化產物應該是CO。

三、 計算

已知：

表1熱力學相關數據

ΔGmΘ（kJ/mol）ΔHmΘ（kJ/mol）ΔSmΘ（J·K-1·mol-1）

C005.74

CO-137.15-110.52197.56

CO2-394.36-393.51213.64

Si0018.83

SiO2-856.67-910.9441.84

Cu0033.15

CuO-129.7-157.342.6

1. 對反應：C（s）+2CuO（s）高溫2Cu（s）+CO2（g）：

假設C和CuO先發生反應：C（s）+CuO（s）高溫Cu（s）+CO（g）

則ΔrGmΘ（298K）=ΔGmΘ（CO）-ΔGmΘ（CuO）

=-137.15kJ/mol-（-129.7kJ/mol）

=-7.45kJ/mol<0自發

接著發生反應：CO（g）+CuO（s）高溫Cu（s）+CO2（g）

則ΔrGmΘ（298K）= ΔGmΘ（CO2）-{ΔGmΘ（CuO）+ΔGmΘ（CO）}

=-394.36kJ/mol-（-129.7kJ/mol-137.15kJ/mol）

=-127.51kJ/mol<0自發

結論：即使C和CuO先生成CO，CO也能和CuO自發生成CO2，所以C和CuO的氧化產物應該是CO2。

2. 對反應：2C（s）+SiO2（s）高溫Si（s）+2CO（g）：

則ΔrGmΘ（298K）= ΔGmΘ（CO）×2-ΔGmΘ（SiO2）

=-137.15kJ/mol×2-（-856.67kJ/mol）

=582.37kJ/mol>0不自發

同理：ΔrHmΘ（298K）=ΔHmΘ（CO）×2-ΔHmΘ（SiO2）

=-110.52kJ/mol×2-（-910.94kJ/mol）

=689.9kJ/mol

ΔrSmΘ（298K）= ΔfSmΘ（CO）×2+ΔfSmΘ（Si）-{ΔSmΘ（SiO2）+ΔfSmΘ（C）×2}=197.56J·K-1·mol-1×2+18.83J·K-1·mol-1-{41.84 J·K-1·mol-1+5.74J·K-1·mol-1×2}

=360.63J·K-1·mol-1

根據ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ

當ΔrGmΘ<0時自發，689.9kJ/mol×1000-T×360.63J·K-1·mol-1<0

T>1913.0K

所以，當溫度高于1913.0K時，反應自發。

假設：CO和SiO2繼續發生反應2CO（g）+SiO2（s）高溫2CO2（g）+Si（s）

則ΔrGmΘ（298K）=ΔGmΘ（CO2）×2-{ΔGmΘ（SiO2）+2×

ΔfΘ（CO）}

=-394.36kJ/mol×2-{-856.67kJ/mol+2×（-137.15kJ/mol）}

=342.25kJ/mol>0不自發

同理：ΔrHmΘ（298K）=ΔHmΘ（CO2）×2-{ΔHmΘ（SiO2）+2×

ΔfHmΘ（CO）}

=-393.51kJ/mol×2-{（-910.94kJ/mol）+2×（-110.52kJ/mol）}

=344.96kJ/mol

ΔrSmΘ（298K）=ΔSmΘ（CO2）×2+ΔSmΘ（Si）-

{ΔSmΘ（SiO2）+ΔSmΘ（CO）×2}

=213.64J·K-1·mol-1×2+18.83J·K-1·mol-1-{41.84J·K-1·mol-1+197.56J·K-1·mol-1×2}

=9.15J·K-1·mol-1

根據ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ

當ΔrGmΘ<0時自發，344.96kJ/mol×1000-T×9.15J·K-1·mol-1<0

T>37700.5K

所以，當溫度高于37700.5K時，反應自發。

四、 結論

對于C和CuO的反應，常溫下第一步自發，第二步在相同的條件下也自發，則說明C和CuO反應的最終氧化產物是CO還是CO2取決于C和CuO的投料比例，如果C足量，則最終的氧化產物是CO，如果CuO足量，則最終的氧化產物是CO2。

對于C和SiO2的反應，第一步反應在1913.0K時，自發，第二步在相同的條件下不能自發，則說明C和SiO2的反應的最終氧化產物只能是CO。

作者簡介：卞海燕，江蘇省常州市，溧陽市光華高級中學。endprint