对铁的氧化物的两点教学思考

文章编号:1005-6629(2010)05-0072-02 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

1关于铁的氧化物的生成条件

高中化学(必修加选修)第二册教师教学用书(2008 年人教版)第84页倒数第二段,有如下两行叙述:

如果在空气中把铁灼烧至500 ℃就形成Fe3O4;温度再高,可形成Fe2O3;在更高的温度下加热Fe2O3(约在1400 ℃以上)时,可失去氧,又得到Fe3O4。

这段叙述可表示如下:

于是,有以下两个值得讨论的问题:一是这“温度再高”是多高,是在500 ℃～1400 ℃之间吗?二是反应①生成的Fe3O4,跟反应③所生成的Fe3O4是一样的东西吗?有没有什么差别?

为使我们的分析讨论能符合实际和可靠,必须把握好以下两点:

第一,以下的事实是可靠的,是毋庸置疑的。

①Fe丝在氧气中燃烧生成稳定的,高熔点(1590 ℃)的黑色的Fe3O4;

②Fe丝、铁块在空气中煅烧、灼烧至红热,生成黑色Fe3O4;

③铁器在空气中锈蚀,生成稳定的,红褐色的Fe2O3(实Fe2O3・XH2O);

④有一点需要特点指出,切不可误认为H2和CO不能还原出Fe2O3中的Fe,而是完成Fe2O3分步还原的最后一步(FeO+COFe+CO2)的反应速度相当缓慢,一般需要有3～4小时。所以实际的教学演示(约10分钟左右)远没有完成这最后一步的还原过程,致使还原产物的成分实际还停留在Fe3O4和FeO。下面的几项实验有力地佐证了这种认识:

*粉末呈黑色,又可以被磁铁吸引,你会错误判断Fe2O3还原成了单质Fe。

*把黑色粉末放在一个纸条(废报纸)上,并把粉末汇聚成一条黑粉线,点燃黑粉线的一端,粉线可以缓慢地燃烧至另一端,又变成了红色(Fe2O3)粉末。如果你还认为那黑色粉末是单质铁,那黑色粉末燃烧的产物为什么是红色Fe2O3,而不是黑色的Fe3O4呢?

*把黑色粉末放入CuSO4溶液中,不见有任何反应现象发生,这表示黑色粉末不能把CuSO4溶液中的Cu置换出来。

*把黑色粉末放进稀H2SO4、稀HCl中,不见有气泡(H2)产生。

所有这些有趣的事实和现象表明,在短时间内被CO或H2还原出来的黑色粉末,它的成分主要不是单质Fe而是Fe3O4,或者说是它含有相当量FeO的Fe3O4。

第二,几个推论是符合逻辑的。

①常温下铁在空气中氧化生成红褐色的氧化铁,说明Fe2O3在常温下是稳定的。

②铁丝在充满氧气的广口瓶中燃烧时,铁丝熔化了(Fe的熔点是1535 ℃), 产物呈熔珠状(有文献说Fe3O4的熔点是1540 ℃),可见铁在氧气中燃烧所产生的高温已达到甚至超过了铁和Fe3O4的熔融温度。说明Fe3O4在这样的高温条件下是相当稳定的。

③下面引用的文献是Б.B涅克拉索夫著《普通化学教程》(1956年高教版)下册第814页上“图390关于Fe2O3、Fe3O4的热溶解平衡图示”(见图1)。

图1表明,高温条件下(例如1400 ℃)Fe2O3可以失氧(O2的压强竟是760 mmHg),Fe3O4也可以失氧(O2的压强不到200 mmHg)。它们失氧后的实际产物均可视为是FeO,而不再是原来的Fe3O4。由此我们可以有这样的推论:铁的三种氧化物――Fe2O3、Fe3O4、FeO,它们的热稳定性顺序是:

Fe2O3

而从大家熟悉的高炉炼铁的(分步还原)反应过程来看:

3Fe2O3+CO 2Fe3O4+CO2

2Fe3O4+2CO 6FeO+2CO2

FeO+CO Fe+CO2

它们在高温条件下的氧化性顺序则是:

Fe2O3>Fe3O4>FeO

至此不难明白,对于铁的氧化物的生成条件,在教学中把握好以下两点是非常必要的:

第一,对于变价元素有高温(干态)条件下所形成的二元化合物(见表1)的热稳定性规律是:低温,高氧化态稳定;高温,低氧化态稳定。应该说这是一个普遍规律。对于单质铁,是低温易于氧化生成高氧化态(Fe2O3), 高温(1400 ℃以上)易于生成低氧氧化态(FeO)。 对于教参上所说的“温度再高”是多高,显然是在500 ℃～1400 ℃之间,不过一般是指1000 ℃左右的强热,焙烧、灼烧。

第二,图示中的反应①,500 ℃左右生成的是Fe3O4,而反应③,在1400 ℃以上失氧生成的Fe3O4,则是以FeO为主。可见这里的Fe3O4不同于当初的Fe3O4。

2铁丝在氧气中燃烧的产物何以是黑色的Fe3O4,而不是红色的Fe2O3

读者可以参阅由北京师大等校编写的《无机化学》上册(2003 年第四版)第236页上的阅读材料。把观点转化成能被启蒙学习化学的中学生都能够接受的语言和知识内容,解释如下:

第一,须对铁和铁的氧化物有一些直觉见解

根据上面的分析,铁和铁的氧化物的重要转化关系图示(见图2)于下:

①表现为Fe在O2中燃烧生成Fe3O4(放热);

②Fe3O4转化为Fe2O3(吸热);

③Fe2O3脱氧转化为Fe3O4(吸热);

④Fe在空气中(常温时)缓慢氧化(放热);

⑤⑥可视为是Fe2O3被CO或H2还原后生成的黑色粉末,写成Fe3O4,实为FeO(它不同于Fe在氧气中燃烧生成的Fe3O4),它可以在空气中燃烧(或自燃):

第二,铁丝在O2中燃烧的产物何以是Fe3O4,而不是Fe2O3或FeO。

根据铁丝在氧气中燃烧产生的高温足可以使Fe(熔点1543 ℃)、 Fe3O4(熔点1540 ℃)融化成熔珠的事实,再根据Fe2O3、Fe3O4、FeO的氧化还原性和热稳定性顺序,不难有如下的认识:

①红热的铁丝在氧气中燃烧获得如此的高温条件下,会生成Fe2O3的可能性是不能成立的。此时的Fe2O3(酸性氧化物)早已失氧分解成了热稳定性更高的Fe3O4和FeO;

②高温下不稳定(易失氧)的酸性氧化物(Fe2O3)与热稳定性强(易得氧、 易氧化)的碱性氧化物(FeO),生成可以兼容这两种氧化物性质的Fe3O4(可视为是一种特殊的盐Fe+2[Fe+3O2]2),那是顺理成章、理所当然的事。

③有文献[1]指出, FeO是一种能自燃黑色细粉,它在低于575 ℃时很不稳定,会发生歧化反应生成Fe和Fe3O4。可以设想,Fe在O2中燃烧的后期,即当环境由高温转到低温时,FeO会自身歧化成Fe3O4:4FeO=Fe+Fe3O4,同时,歧化生成的Fe又会被氧化成Fe3O4。所以,Fe在O2中燃烧的最终产物中不可能有红色的Fe2O3,也不可能只是黑色的FeO,惟一可能的成分自然是黑色的Fe3O4了。

参考文献:

[1]北京师范大学.无机化学.下册,第4版[M].北京:高等教育出版社,2003:770.

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