Оценка возможности получения металлов из их оксидов по величине dG

Металлы можно получать, восстанавливая их оксиды (см. разд. 10.5). Для этой цели используются такие восстановители, как углерод и другие металлы. Но как можно определить, будет ли углерод или другой металл самопроизвольно восстанавливать оксид конкретного металла? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим два следующих случая.

Случай 1

Металл + Оксид углерода = Оксид металла + Углерод Например,

В этом случае металл играет роль восстановителя. Он восстанавливает углерод из диоксида углерода.

Случай 2

Оксид металла - Углерод = Металл + Оксид углерода Например,

В этом случае роль восстановителя играет углерод. Он восстанавливает металл из его оксида.

Нетрудно видеть, что случай 2 является обратным по отношению к случаю 1. К некоторым металлам применим случай 1, а к другим металлам-случай 2. Каким же образом можно заранее предсказать, какой случай применим к какому-либо конкретно рассматриваемому металлу? Другими словами, как предсказать-какая реакция окажется самопроизвольной: соответствующая случаю 1 или случаю 2?

Ответ заключается в сопоставлении устойчивости оксидов. Выше было указано, что мерой устойчивости соединения является свободная энергия его образования. Мы видели также, что для самопроизвольного протекания реакции изменение свободной энергии ΔG, которым она сопровождается, должно быть отрицательным, т. е. ΔG < 0. Если применить это условие к изменению свободной энергии, выраженному с помощью уравнения (25), то получится следующее условие самопроизвольного протекания реакции:

В каждом из двух рассмотренных выше случаев один из продуктов и один из реагентов являются свободными элементами. Поскольку стандартные молярные свободные энергии образования свободных элементов равны нулю, условие самопроизвольного протекания рассмотренных реакций приобретает следующий вид:

Следовательно, в обоих случаях более устойчивый оксид, т. е. оксид с более отрицательным значением свободной энергии образования ΔG т должен быть продуктом, а не реагентом. Стандартные молярные свободные энергии образования оксидов, рассмотренных в примерах, приведены в табл. 5.15. Эти значения показывают, что в первом из рассмотренных выше примеров оксид магния обладает большей устойчивостью, чем диоксид углерода. Поэтому оксид магния оказывается продуктом, а не реагентом.

 

Таблица 5.15. Стандартные молярные свободные энергии образования некоторых оксидов

Оксид

CO2 (г.)

MgO (тв.)

NiO (тв.)

СО (г.)

ΔG, к Дж/моль

- 394

- 569

- 213

- 137

Самопроизвольно протекает прямая, а не обратная (по отношению к записанному уравнению) реакция. Другими словами, к данной реакции применим случай 1.

Второй пример оказывается более сложным. Согласно значениям ?G, приведенным в табл. 5.15, продуктом рассматриваемой реакции должен быть NiO(TB.), а не СО (г.). Почему же эта реакция была выбрана в качестве примера к случаю 2? Дело, оказывается, в температуре реакции. Эта реакция не протекает при 298 К. Для ее осуществления необходима более высокая температура.

Оглавление: