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氧化还原反应的实际应用


实验室k / 2018-07-11

    氧化还原反应的最广泛用途是制造电池和制备金属。电池的制造需要电化学知识,将在后面文章介绍,本文简单介绍氧化还原反应在单质制备中的应用。

    对于大多数金属,氧化物比金属单质更稳定。在室室温下,Zn的氧化反应自发进行,

2Zn+O2 = 2ZnO

    上述反应是放热、熵减小的反应,即△Hθ<0,△Sθ<0。随着反应温度升高,△Gθ增大。当温度升高到某一定值Tt时,△Gθ=0。当温度在Tt以上时,△Gθ>0,氧化物的分解反应自发进行。
    △Gθ-T图给出单质氧化反应的△Gθ随温度的变化情况,如图3-1所示。为了便于比较,图中每个反应中O2的化学计量数均为1。

部分单质氧化反应

     由△Gθ=△Hθ-T△Sθ知,△Gθ-T图的斜率为△Sθ。由于氧化物多为固体,因而△Sθ一般小于0。对于大多数单质,随着反应应温度升高,单质质的状态由固态变为液态或气态,|△Sθ|增大,即曲线的斜率增大,曲线变陡。
    但2C+O2 = 2CO2反应为熵增加反应,因而斜率为负值。
    理论上,只要达到足够高的温度,大多数氧化物可以还原为单质和氧气。如在2230℃以上时,
ZnO还原为金属锌和氧气。但这并不意味着升高温度就可以由ZnO制备金属锌。因为如果在冷却前不能使Zn和O2分离,又会生成ZnO。
    解决的途径是使用合适的还原剂。在冶金工业中,常用的还原剂是焦炭(主要成分是C)。在710℃以下时,C与O2的反应产物是CO2,在710℃以上时,C与O2的反应产物是CO,而且温度越高,越有利于CO的生成,见图3-1。
    △Gθ-T图的意义在于,图中下方曲线的还原态物质可将上方曲线的氧化态物质还原。例如,在800℃以上时,C可将H2O还原

 

C+H2O = CO+H2

    工业上利用上述反应制取煤气。
    又例如,在1700℃,C可将
SiO2还原为单质Si,而H2不能。
    实际应用中,还有氯化物、硫化物的△Gθ-T图等。


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