Номер 13, страница 140 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 29. Натрий и калий. Глава 3. Металлы главных подгрупп - номер 13, страница 140.

Условие.

13. Напишите уравнение реакции восстановления едкого натра железом. Объясните, почему при прокаливании железо вытесняет более активный металл — натрий.

Решение.

Решение 2.

Уравнение реакции восстановления едкого натра железом

Реакция восстановления едкого натра (гидроксида натрия, $NaOH$) железом при сильном нагревании (прокаливании) приводит к образованию феррита натрия, металлического натрия и водорода. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Fe_{(тв)} + 2NaOH_{(распл)} \xrightarrow{600-900^\circ C} NaFeO_{2(тв)} + Na_{(г)} \uparrow + H_{2(г)} \uparrow$

Объяснение, почему при прокаливании железо вытесняет более активный металл — натрий

В стандартных условиях (например, в водных растворах при 25°C) железо, как менее активный металл, не способно вытеснить натрий из его соединений. Это соответствует положению металлов в электрохимическом ряду напряжений: натрий ($E^\circ(Na^+/Na) = -2.71 \text{ В}$) является гораздо более сильным восстановителем, чем железо ($E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0.44 \text{ В}$).

Однако данная реакция протекает в нестандартных, жестких условиях — при прокаливании смеси твердых веществ при температуре 600-900°C. Возможность протекания этой реакции, противоречащей ряду активности, объясняется совокупностью факторов, связанных с высокой температурой:

1. Принцип Ле Шателье. Реакция является обратимой. При высоких температурах, используемых в процессе, продукты реакции — металлический натрий (температура кипения 883°C) и водород — находятся в газообразном состоянии. Будучи летучими, они непрерывно удаляются из реакционной смеси. Согласно принципу Ле Шателье, удаление продуктов из системы смещает химическое равновесие вправо, то есть в сторону их образования. Это заставляет реакцию протекать практически до конца.
   $Fe_{(тв)} + 2NaOH_{(ж)} \rightleftharpoons NaFeO_{2(тв)} + Na_{(г)} \uparrow + H_{2(г)} \uparrow$
2. Термодинамический фактор. Самопроизвольность химической реакции определяется знаком изменения энергии Гиббса: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$.
   • $\Delta H$ (изменение энтальпии): данная реакция является эндотермической, то есть для ее протекания требуется подвод тепла извне ($\Delta H > 0$).
   • $\Delta S$ (изменение энтропии): в ходе реакции из твердого и жидкого реагентов образуются два газообразных продукта ($Na$ и $H_2$). Это приводит к значительному увеличению хаоса (беспорядка) в системе, поэтому изменение энтропии велико и положительно ($\Delta S \gg 0$).
   • При повышении температуры $T$ член $-T\Delta S$ в уравнении энергии Гиббса становится большим по модулю и отрицательным. При достаточно высокой температуре он становится больше положительного значения $\Delta H$, в результате чего общее изменение энергии Гиббса $\Delta G$ становится отрицательным. Это означает, что реакция, невозможная при низких температурах, становится термодинамически выгодной (самопроизвольной) при высоких.

Таким образом, высокая температура является ключевым условием, которое изменяет термодинамику процесса и за счет удаления летучих продуктов позволяет менее активному металлу вытеснить более активный.

Ответ: Уравнение реакции: $Fe + 2NaOH \xrightarrow{t} NaFeO_2 + Na\uparrow + H_2\uparrow$. Реакция возможна при высокой температуре, так как, во-первых, образующиеся газообразные продукты (пары натрия и водород) непрерывно покидают зону реакции, смещая равновесие в сторону продуктов (принцип Ле Шателье), и, во-вторых, при высокой температуре энтропийный фактор ($T\Delta S$) в уравнении энергии Гиббса ($\Delta G = \Delta H - T\Delta S$) делает реакцию термодинамически самопроизвольной.