Восстановление оксида железа водородом протекает по уравнению

Пример 4. Реакция восстановления Fe2O3 водородом протекает по уравнению:

Реакция восстановления Fe₂O₃ водородом протекает по уравнению:

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии S = 0,1387 кДж / (моль· К)? При какой температуре начнется восстановление Fe₂O₃?

Решение. Вычисляем G o реакции:

G = H – T S = 96,61 – 298 · 0,1387 = + 55,28 кДж.

Так как G > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия). Найдем температуру, при которой G = 0:

H = T S; T = = =696,5 К.

Следовательно, при температуре 696,5 К начнется реакция восстановления Fe₂O₃. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.

Пример.5. Вычислите H o , S o , и G o _Т реакции протекающей по уравнению

Возможна ли реация восстановления Fe₂O₃(кр.) углеродом при температурах 500 и 1000 К?

Решение. H o _х.р. и S o _х.р находим из соотношений (1) и (2) так же, как в примере 3:

H o _х.р. = [3(-110,52) + 2·0]-[-822,10 + 3·0] = -331,56 + 822,10 = +490,54

S o _х.р = (2· 27,2 + 3·197,91) – (89,96 + 3· 5,69) = 541,1 Дж/К.

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения

G o _Т = =H o – T S o :

G o ₅₀₀ = 490,54 — 500· = +219,99 кДж;

G o ₁₀₀₀ = 490,54 — 1000· = -50,56 кДж;

Так как G o ₅₀₀ > 0, а G o ₁₀₀₀

Расчет термодинамических величин (энтальпии, энтропии, энергии Гиббса) реакций восстановления оксидов железа

Реакция восстановления железа оксида железа (3) водородом

Задача 14.
Вычислите ∆Hº, ∆Sº и ∆Gтº реакции, протекающей по уравнению:
Fe₂O₃(к) + 3Н₂(г) = 2Fe(к) + 3Н₂О (г)
Возможна ли реакция восстановления Fe₂O₃(к) водородом при 500 и 1000 К?
Решение:

1. Расчет энтальпии реакции

В химической реакции, протекающей по уравнению:

Тепловой эффект реакции (∆Н_х.р.), исходя из следствия закона Гесса, равен сумме теплот образования ∆Н_обр. продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.

— теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю;
— теплота образования Н₂О (г) равна -241.83 кДж;
— теплота образования Fe₂O₃(к) равна -822.10 кДж .

Исходя из указанных данных получим:

∆Н_х.р.= 3(-241.83) – (-822.10) = -725.49 – (-822.10) = 96.61 кДж.

Ответ: ∆Н_х.р.= 96.61 кДж

2. Расчет энтропии реакции

Изменение энтропии продуктов химической реакции, протекающей по уравнению:

Рассчитывается по формуле:

∆S°Fe(к) = 27,2 Дж/(моль . К);
∆S°Н₂О (г)) = 188,72 Дж/(моль . К)
∆S° Fe₂O₃(к) = 89,96 Дж/(моль . К)
∆S° O/H₂(г) = 130,59 Дж/(моль . К)

С учетом этих данных рассчитаем изменение энтропии реакции, получим:

∆S°_х.р.= 2(27,2) + 3(188,72) – (89,96) + 3(130,59) = 620,56 — 481,73 = 138.83 Дж/(моль . К).

Ответ: ∆S°_х.р.= 138.83 Дж/(моль . К)

3. Расчет термического потенциала или энергии Гиббса

Мерой химического сродства (∆G°) является убыль энергии Гиббса (изменение изобарно- термического потенциала или энергии Гиббса).

Убыль энергии Гиббса ∆G°_х.р. в химической реакции:

вычисляем по формуле:

∆G°_х.р. = ∆Н° — Т . ∆S°

∆G°_х.р. = 96,61 – (298 . 0.,3883 = 96,61- 41.37 = +55.24 кДж.

Ответ: ∆G°_х.р. = +55.24 кДж

Т.к. ∆G°_х.р. > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; при этих условиях пойдет обратная реакция — окисление железа (коррозия).

4. Определение температуры начала реакции восстановления Fe₂O₃ CO

∆Н = Т . ∆S, отсюда Т = ∆Н/∆S = 96,61/0,13883 = 695.9 К.

5. Расчитаем энергию Гиббса данной реакции при 500 К.

∆G 0 ₅₀₀ = 96,61-(500 . 0,13883) = +27,19 кДж.

Таким образом, ∆G при температуре 500 К составляет +27.19 кДж, т.е. ∆G > 0 и это означает, что реакция при 500 К. невозможна 1 .

6. Расчитаем энергию Гиббса данной реакции при 1000 К

При температуре 1000 К находим ∆G 0 ₁₀₀₀ аналогично:

∆G 0 ₁₀₀₀ = 96,61 – (1000 . 0,13883 = 96,61 — 138,83 = -42,22 кДж. ∆G 0 ₁₀₀₀ = -42,22 кДж.

Реакция восстановления оксида железа (2) оксидом углерода (2)

Задача 15.
Подсчитайте значения ∆ Н, ∆ ?S, ∆ G рекции: FeO + CO = Fe + CO₂, определите, при каких условиях она возможна?
Решение:
∆Н°(FeO) = -264,8 кДж/моль;
∆Н°(CO) = -110,5 кДж/моль;
∆Н°(CO₂) = -393,5 кДж/моль;
∆S°(Fe) = 27,15 Дж/(моль К);
∆S°(FeO) = 60,8 Дж/(моль К);
∆S°(CO) = 197,5 Дж/(моль К);
∆S°(CO₂) = 213,7 Дж/(моль К);
∆G°(FeO) = -244,3 кДж/моль;
∆G°(CO) = -137,1 кДж/моль;
∆G°(CO₂) = -394,4 кДж/моль.

1. Рассчитаем ∆ Н ° реакции, получим:

Расссчитывается по формуле:

∆Н°_х.р. = ∆Н°(СO₂) — [∆Н°(FeO) + ∆Н°(CeO)] = -393,5 — [(-264,8) + (-110,5)] = -393,5 — (-375,3) = -18,2 кДж/моль.

2. Рассчитать ∆S° реакции,получим:

Расссчитывается по формуле:

∆S°_х.р. = [∆S°(CO₂) + ∆S°(Fe)] — [∆S°(FeO) + ∆S°(CO)] = (213,7 + 27,15) — (60,8 + 197,5) = -17,45 Дж/(моль К).

Отрицательное значение изменения энтропии (убывание энтропии) свидетельствует об увеличении упорядоченности данной системы и, действительно, хотя в реакции объем газов не изменяется, но Fe значительно более устойчив чем FeO.

3. Рассчитаем G° реакции, получим:

Расссчитывается по формуле:

∆G_х.р.= ∑ ∆G обр.прод. — ∑ ∆G обр.исх.

Расчеты показали, что ∆G°х.р.

1 Примечание:
Поскольку изначальная температура, при которой начинается реакция по уравнению:
Fe₂O₃(к) + 3Н₂(г) = 2Fe(к) + 3Н₂О (г), из вышеприведенных расчетов равна 695.9 К, то путем сравнения температур можно сразу определить, что при температуре 500 К реакция не пойдет, а при температуре выше 695.9, т.е. при 1000 К пойдет с получением продуктов согласно уравнению.

Реакции протекающие при восстановление железа из руд. Восстановление оксидов железа водородом. Факторы влияющие на процессы восстановления. Способы восстановления.

Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe₂O₃ – Fe₃O₄ – FeO – Fe
Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода(I) и твердый углерод кокса. Оксид углерода(I) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом:
C + CO₂=2CO
Восстановление оксидом углерода называетсякосвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям
3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q;
Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ — Q;
FeO + CO = Fe + CO₂ + Q.
Восстановление Fe₂O₃ начинается при сравнительно низких температурах (400-500 0 С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-950 0 С.
Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.
Восстановление твердым углеродом называетсяпрямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000 0 С (зона распара печи) по реакции
FeO + C = Fe + CO – Q.
Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:
FeO + CO = Fe + CO₂ + Q
CO₂ + C = 2CO– Q
FeO + C = Fe + CO₂ – Q
Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-500 0 С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции:
3Fe + 2CO = Fe₃ C + CO₂ + Q.
Карбид железа Fe₃С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147 0 С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

Метод прямого восстановления железа водородом в наши дни, как технологический процесс, остался без изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, — концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в шахтной печи с помощью твердого топлива, как это было в древности, или для этой цели используется конвертированный газ – природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО).

3Fe2O3+H2= 2Fe3O4+H 20
Fe3O4+H2=3FeO+H 2O
FeO+H2=Fe+H 2O

Дата добавления: 2015-03-19 ; просмотров: 2303 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ