从热力学角度解释C还原CuO、SiO2氧化产物

卞海燕��

摘要：针对学生初三学过的碳还原氧化铜的氧化产物是二氧化碳，而高一同样碳还原二氧化硅的氧化产物却是一氧化碳，假定反应分两步进行，碳还原氧化铜、二氧化硅先到CO，再CO与氧化物反应生成CO2，从热力学角度解释最终的氧化产物。

关键词：热力学；碳；氧化产物

一、 问题的提出

学生在初中学过一个反应：C（s）+2CuO（s）高温2Cu（s）+CO2（g），而高中化学必修一课本上有这样一个反应：

2C（s）+SiO2（s）高温Si（s）+2CO（g），于是，有了这样的疑问：“C和CuO高温条件下的氧化产物为什么是CO2，有没有可能有CO？而C和SiO2高温条件下的氧化产物为什么又是CO，有没有可能有CO2？”

笔者百度了一下，有的认为：“C在还原CuO的时候首先产生CO，当C不足的时候会继续产生CO2。C还原SiO2也是这个道理，但SiO2不被CO还原，因此就算你C再少也得不到CO2。”

在这种说法中，认为C还原CuO的氧化产物，既有CO，又有CO2，而C还原SiO2的氧化产物只能是CO，是不是这样呢？

二、 理论依据

根据热力学原理，一个反应能不能进行，取决于这个反应的ΔrGmΘ，当ΔrGmΘ<0时，该反应自发，而ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ。

对于C和CuO的反应，可以从两步考虑，第一步C（s）+CuO（s）高温Cu（s）+CO（g），第二步

CO（g）+CuO（s）高温Cu（s）+CO2（g）。如果第一步自发，第二步在相同的条件下也自发，则说明C和CuO的反应的氧化产物应该是CO、CO2并存；如果第一步自发，第二步在相同的条件下不能自发，则说明C和CuO的反应的氧化产物应该是CO。

同理，对于C和SiO2的反应，也可以从两步考虑，第一步2C（s）+SiO2（s）高温Si（s）+2CO（g），第二步

2CO（g）+SiO2（s）高温2CO2（g）+Si（s）。如果第一步自发，第二步在相同条件下也自发，则说明C和SiO2的反应的氧化产物是CO、CO2并存；如果第一步自发，第二步在相同的条件下不能自发，则说明C和SiO2的反应的氧化产物应该是CO。

三、 计算

已知：

表1热力学相关数据

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. 对反应：C（s）+2CuO（s）高温2Cu（s）+CO2（g）：

假设C和CuO先发生反应：C（s）+CuO（s）高温Cu（s）+CO（g）

则ΔrGmΘ（298K）=ΔGmΘ（CO）-ΔGmΘ（CuO）

=-137.15kJ/mol-（-129.7kJ/mol）

=-7.45kJ/mol<0自发

接着发生反应：CO（g）+CuO（s）高温Cu（s）+CO2（g）

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

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

=-127.51kJ/mol<0自发

结论：即使C和CuO先生成CO，CO也能和CuO自发生成CO2，所以C和CuO的氧化产物应该是CO2。

2. 对反应：2C（s）+SiO2（s）高温Si（s）+2CO（g）：

则ΔrGmΘ（298K）= ΔGmΘ（CO）×2-ΔGmΘ（SiO2）

=-137.15kJ/mol×2-（-856.67kJ/mol）

=582.37kJ/mol>0不自发

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

根据ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ

当ΔrGmΘ<0时自发，689.9kJ/mol×1000-T×360.63J·K-1·mol-1<0

T>1913.0K

所以，当温度高于1913.0K时，反应自发。

假设：CO和SiO2继续发生反应2CO（g）+SiO2（s）高温2CO2（g）+Si（s）

则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不自发

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

当ΔrGmΘ<0时自发，344.96kJ/mol×1000-T×9.15J·K-1·mol-1<0

T>37700.5K

所以，当温度高于37700.5K时，反应自发。

四、 结论

对于C和CuO的反应，常温下第一步自发，第二步在相同的条件下也自发，则说明C和CuO反应的最终氧化产物是CO还是CO2取决于C和CuO的投料比例，如果C足量，则最终的氧化产物是CO，如果CuO足量，则最终的氧化产物是CO2。

对于C和SiO2的反应，第一步反应在1913.0K时，自发，第二步在相同的条件下不能自发，则说明C和SiO2的反应的最终氧化产物只能是CO。

作者简介：卞海燕，江苏省常州市，溧阳市光华高级中学。endprint