铁还原氧化铁的产物是氧化亚铁还是四氧化三铁

铁还原氧化铁的产物是氧化亚铁还是四氧化三铁

摘要从热力学和实验验证的角度探讨“铁和氧化铁反应的产物是四氧化三铁，而不是氧化亚铁”。

关键词铁氧化铁氧化亚铁四氧化三铁热力学

1 问题的提出

有中学化学教师通过实验证明“铁和氧化铁反应的产物是氧化亚铁”［1］。笔者对铁还原氧化铁的实验进行了进一步探究，认为产物应是四氧化三铁。在此，

笔者提出自己的观点与各位同行商榷。

2 自然界中没有氧化亚铁

在铁的3种氧化物中，四氧化三铁最稳定，氧化亚铁最不稳定，它极易被氧化成氧化铁［2］。其实，根据热力学定律也容易算出这个反应

（4FeO+O2=2Fe2O3）在常温即可自发进行。

查得相关数据见表1［3］：

因为该反应的自由能变远小于0，所以该反应进行得很完全。这也是自然界中没有氧化亚铁的根本原因。

退一步说，即使在实验中真的生成了氧化亚铁，那么黑色粉末一倒出来，遇到了空气，氧化亚铁也不可能稳定存在。

在日本，氧化亚铁的不稳定性早在2002年就已用于食品防伪防盗包装［4］：在食品密封包装盒的透明盖内放上一小包氧化亚铁粉末，一旦有人开启盒盖，空气就要进入包装盒内，氧化亚铁很快由黑变红，这样就能及时发现、处理。

3 铁还原氧化铁生成四氧化三铁

3.1 理论探讨

在铁的3种氧化物中，氧化铁的氧化性最强，因此铁应该能够还原氧化铁，那么还原产物是氧化亚铁还是四氧化三铁呢？笔者先从理论上来探讨。

查得相关数据见表2［3］：

由表2中的数据，不难算出反应①的焓变是：

ΔH=［-266-13(-822.2)-0］kJ•mol-1=8.067 kJ•mol-1

也容易算出反应①的熵变是：

ΔS=(54-13×27.2-13×90)J•mol-1•K-1=14.93

J•mol-1•K-1=0.014 93 kJ•mol-1•K-1

再根据吉布斯－亥姆霍兹公式：ΔG m=ΔH m-TΔS m，并取酒精喷灯火焰的温度为1 273.15 K，最后算出反应①的自由能变是：

ΔG m=8.067 kJ•mol-1-1 273.15 K×0.0149 3 kJ•mol-1•K-1=-10.94 kJ•mol-1

假设进行的是反应②：

13Fe+43Fe2O3△Fe3O 4

仍根据表2中的数据，我们可以算出反应②的焓变是：

ΔH=［-1 117-43(-822.2)-0］=-20.73 kJ•mol-1

同时算出反应②的熵变是：

ΔS=［146-13×27.2-90］J•mol-1•K-1=16.93 J•mol-1•K-1=0.016 93 kJ•mol-1•K-1

再根据吉布斯－亥姆霍兹公式（温度仍取 1 273.15 K），最后算出反应②的自由能变是：

ΔG m=-20.73 kJ•mol-1-1 273.15 K×0.016 93

kJ•mol-1•K-1=-42.28 kJ•mol-1

由上述计算结果可以看出，作为相同反应物在相同环境下的2种反应趋势，反应①的自由能变略小于0，且产物极不稳定，因此它将很难自发发生；反应②

的自由能变小于-40 kJ•mol-1(ΔG m＜-40 kJ•mol-1时，反应的平衡常数K很大，反应进行得很完全)，且四氧化三铁很稳定，因此它容易自发进行。

可见，铁还原氧化铁时很难生成氧化亚铁，容易生成四氧化三铁。

3.2 实验验证

笔者利用实验（装置见图1）去探究反应的产物。

图1 铁还原氧化铁的实验装置

（1）取15 mm×150 mm的硬质玻璃管一个，按图连接好仪器（暂不装入药品），夹上弹簧夹a，松开弹簧夹b，微热玻璃管，若导管口有气泡冒出，则装置不漏气。

（2）称取1 g还原铁粉（AR，天津市巨星圣源化学试剂有限公司，2007年生产）和5 g氧化铁粉末（AR，天津市福晨化学试剂厂，2005年生产），将其混合均匀；拔掉玻璃管一端的橡皮塞，将药品薄薄地平摊在玻璃管底部。

（3）松开2个弹簧夹，通入纯净干燥的二氧化碳气体（做保护气），估计玻璃管里空气被排完了，即可夹上弹簧夹a，并开始加热药品。

（4）大约4分钟左右，棕色粉末全部变黑；再夹上弹簧夹b，然后停止加热（玻璃管冷却时2根橡皮管都会变瘪，从而及时缓冲玻璃管内的压强变化），等到玻璃管冷却至室温，倒出黑色粉末。

（5）用磁铁去检验生成物，发现黑色粉末完全被吸引，而且暴露在空气中也不变色。说明，生成物中没有氧化亚铁（至少是看不到有氧化亚铁）。

（6）然后，用稀盐酸（若用稀硫酸反应很慢）去检验生成物。将反应所得黑色粉末取适量装入试管，滴加足量的稀盐酸（AR浓盐酸配制，徐州市试剂总厂），黑色粉末部分溶解，且冒气泡，说明黑色粉末中含有铁（因为铁过量）。再微热上述溶液（或自然放置几个小时），黑色粉末全部溶解，得到一种黄绿色溶液（介于亚铁盐、铁盐溶液颜色之间），说明黑色粉末中含有四氧化三铁。

（7）考虑到有的文献中认为“四氧化三铁不溶于酸”［5］（但笔者的实验却真的是溶解了），为了避免争议，笔者又用硫酸铜溶液去检验黑色粉末的成分。

取少量反应所得黑色粉末装入试管，滴加足量的浓硫酸铜溶液，很快出现红色固体（铁置换出铜），搅拌、静置一段时间后，黑色粉末仍然存在，说明黑色粉末中含有四氧化三铁。

综上，笔者的研究，既有实验的检验，也有理论的支撑，还有通俗易懂、符合化学原理的简单解释。因此，“铁还原氧化铁生成四氧化三铁”的结论是可信的。

参考文献

［1］戚万友.中学化学教学参考，2010，（4）：63

［2］许嘉璐主编.中国中学教学百科全书：化学卷.沈阳：沈阳出版社，1990：204

［3］北京师范大学等.无机化学.北京：高等教育出版社，2006:236-237，770

［4］中轻网.轻工机械，2003，（2）：81

［5］周改英.中学化学，2010，（7）：17-18