Производство железа может быть построено на различных окислительно-восстановительных реакциях. На основе термодинамических расчетов сделайте

Производство железа может быть построено на различных окислительно-восстановительных реакциях. На основе термодинамических расчетов сделайте вывод о возможности или невозможности прохождения процесса при температуре 1000 оС, величине константы равновесия реакции и смещения равновесия в сторону конечных или исходных веществ. Какая из реакций предпочтительна с точки зрения технологического процесса? Процессы: Fe2O3 + C → Fe + CO; Fe2O3 + CO → 2Fe + 3CO2; Fe2O3 + H2 → Fe + H2O; Fe2O3 + Al → Fe + Al2O3 Вещество Fe2O3 С СО СО2 Fe Н2 Н2О Al Al2O3 ΔН, кДж/моль -822 0 -110,5 -393,5 0 0 -241,8 0 -1676 ΔS, Дж/моль К 87 5,74 197,5 213,7 27,2 130,5 188,7 28,3 59,6

Расставим в реакциях стехиометрические коэффициенты:
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO;
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2;
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O;
Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3
Вычислим изменение энергии Гиббса для каждого процесса.
1) ΔН1 = (2ΔН(Fe) + 3ΔН(СО)) – (ΔН(Fe2O3) + 2ΔН(С));
ΔН1 = (2∙0 + 3∙(-110,5)) – (-822 + 2∙0) = 490,5 (кДж).
ΔS1 = (2ΔS(Fe) + 3ΔS(СО)) – (ΔS(Fe2O3) + 2ΔS(С));
ΔS1 = (2∙27,2 + 3∙197,5) – (87 + 2∙5,74) = 548,4 (Дж/К) = 0,548 (кДж/К).
ΔG1 = ΔН1 - Т∙ ΔS1 .
ΔG1 = 490,5 - 1000∙0,548 = -57,9 (кДж).
К = е-ΔG/RT; К = 2,7157900/8,31∙1000 = 1039.
Так как реакция эндотермическая (ΔН1 > 0), то повышение температуры будет смещать равновесие в сторону прямой реакции.
2) ΔН2 = (2ΔН(Fe) + 3ΔН(СО2)) – (ΔН(Fe2O3) + 3ΔН(СО));
ΔН2 = (2∙0 + 3∙(-393,5)) – (-822 + 3∙(-110,5)) = -27 (кДж).
ΔS2 = (2ΔS(Fe) + 3ΔS(СО2)) – (ΔS(Fe2O3) + 3ΔS(СО));
ΔS2 = (2∙27,2 + 3∙213,7) – (87 + 3∙197,5) = 16 (Дж/К) = 0,016 (кДж/К).
ΔG2 = ΔН2 - Т∙ ΔS2 .
ΔG2 = -27 - 1000∙0,016 = - 43 (кДж).
К = е-ΔG/RT; К = 2,7143000/8,31∙1000 = 173,9.
Так как реакция эндотермическая (ΔН1 < 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо понижать температуру процесса.
3) ΔН3 = (2ΔН(Fe) + 3ΔН(Н2О)) – (ΔН(Fe2O3) + 3ΔН(H2));
ΔН3 = (2∙0 + 3∙(-241,8)) – (-822 + 3∙0) = 96,6 (кДж).
ΔS3 = (2ΔS(Fe) + 3ΔS(Н2О)) – (ΔS(Fe2O3) + 3ΔS(H2));
ΔS3 = (2∙27,2 + 3∙188,7) – (87 + 3∙130,5) = 142 (Дж/К) = 0,142 (кДж/К).
ΔG3 = ΔН3 - Т∙ ΔS3 .
ΔG3 = 96,6 - 1000∙0,142 = - 45,4 (кДж).
К = е-ΔG/RT; К = 2,7145400/8,31∙1000 = 231,9.
Так как реакция эндотермическая (ΔН1 > 0), то повышение температуры будет смещать равновесие в сторону прямой реакции.
4) ΔН4 = (2ΔН(Fe) + ΔН(Al2O3)) – (ΔН(Fe2O3) + 2ΔН(Al));
ΔН4 = (2∙0 + (-1676)) – (-822 + 2∙0) = -854 (кДж).
ΔS4 = (2ΔS(Fe) + ΔS(Al2O3)) – (ΔS(Fe2O3) + 2ΔS(Al));
ΔS4 = (2∙27,2 + ∙59,6) – (87 + 2∙28,3) = -29,6 (Дж/К) = -0,0296 (кДж/К).
ΔG4 = ΔН4 - Т∙ ΔS4 .
ΔG4 = -854 - 1000∙(-0,0296) = - 824,4 (кДж).
К = е-ΔG/RT; К = 2,71824400/8,31∙1000 = 8,9∙1042.
Так как реакция эндотермическая (ΔН1 < 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо понижать температуру процесса.
Ответ:
Все рассмотренные процессы могут идти самопроизвольно