铁和盐酸_ 铁和盐酸反应
正常情况下,如果不加入额外条件如加热加压什么的话,你会看到铁在不紧不慢的冒气泡,而氧化铁在相当长的时间里岿然不动。
这样的现象,可以简单的理解为:铁先发生了反应。
为什么会这样呢?首先,不论是铁溶于盐酸,还是氧化铁溶于盐酸,反应的平衡常数都很大,在正常的盐酸浓度下(如1mol/L)热力学上均可自发进行直反应完全。学过高中化学的我们应当知道,反应的速率和反应平衡常数大小没什么关系。如果学过大学化学,尤其是有机合成反应,你甚至可以掌握多种通过控制反应速率,而得到在反应平衡中不利的产物。在盐酸溶解氧化铁和铁的时候,是反应速率控制的,接下来我将从物质结构与性质的角度来阐明,为什么铁反应速率快,而氧化铁反应缓慢。
这两个反应,一个是水溶液中的氢离子在金属铁表面得到了电子,成为氢气溢出;另一个是氢离子夺取氧化铁晶体中的氧离子生成水,然后溶剂溶出失去氧离子的铁离子。
铁作为金属,其电子在整块金属内自由移动;氢离子只有铁原子直径的千分之一量级,除了在铁的表面吸附外,还能渗透进金属铁的内部,建立敌后根据地()。在表面吸附的氢离子很容易夺取1个电子,形成的原子两两碰到一起,就成为氢气释放出去,而金属铁整体就会带2个正电荷。越来越多的氢离子带走了金属铁的电子,它们之间的金属键也越来越弱,更为致命的是,各个地方都带上了正电,相互排斥,又有渗透进去的氢离子敌后坐大,生成氢原子挤压变形了金属铁内部结构,金属铁最终不堪重负,碎裂成许多小块。小块金属铁的表面积更大,上述现象将更快地进行。如果金属铁里含碳,金属铁的电子会快速通过碳传导到氢离子上,所以很多实验里可以看到反应一开始速率就很可观;用块状金属铁进行反应时,也能看到气泡首先从块上几个点开始,逐渐扩散到整个金属铁。
(题外话:如果改用大块金属铝和盐酸反应的话,在一段时间后,你可以肉眼看到壮观的金属铝块崩塌成粉的现象)
氧化铁作为有一定共价成分的离子晶体,在晶体中,铁离子-氧离子-铁离子-氧离子交替排列,其表面的也是如此。当氢离子与表面的氧离子结合成水分子并离开表面时,周围的铁离子仍牢牢地被外层旁边的和内层氧离子吸引,直到外层大多数氧离子被带走。与此同时,氧化铁晶体内部来自+3价铁离子的排斥导致氢离子向内渗透非常困难,因此氧化铁晶体始终是一层一层溶解,速率非常缓慢。实际上,对于分析纯的氧化铁,在沸腾的稀强酸里面热上好几个小时,才能完全溶解。