在很多人的印象里,铁块是实心的这个概念是根深蒂固的,然而这是错的。今天我将站在化学的角度证明这点。最后说一点,不欢迎一切说“mc本来就不科学”的行为,否则视为水贴举报不谢。既然要用现实的金的密度说明Steve能够搬起一座艾菲尔铁塔的质量,就将科学进行到底。
查表可知铁的密度为7.85g/cm?,假定铁块实心,则一块铁块的质量为7850kg。又因为铁块由九个铁锭合成,故一个铁锭质量为872.2kg。自然界中常见的铁矿石有赤铁矿(三氧化二铁,红色)、磁铁矿(四氧化三铁,黑色)、菱铁矿(碳酸亚铁,黑色)、黄铁矿(二硫化亚铁,黄色)。由颜色可知mc中的铁矿石为赤铁矿。mc中为碳还原氧化铁(我知道会发生一氧化碳的还原反应,稍后说明),则还原的化学方程式为:
2Fe2O3+3C===4Fe+3CO2↑。
(注:化学式代表的物质依次为三氧化二铁、碳、铁、二氧化碳)
根据ΔrHm=(∑ΔfHm(生成物))-(∑ΔfHm(反应物))则该反应ΔrHm(注:ΔrHm为反应的热效应,即反应的体系中能量变化量,负值为放热,正值为吸热,∑为连算符,这里是将各个物质的ΔH乘以系数再相加)为3×ΔrHm(CO2)-2×ΔrHm(Fe2O3)=3×(-393.51)-2×(-824.4)=468.27KJ/mol(注:因单质,如Fe、C,ΔrHm为0,故计算时省略。)经计算ΔrHm大于0,吸热,吸收的热量由碳燃烧提供。故一部分碳用作还原剂,一部分碳燃烧提供能量。设炼出一个铁锭需要作还原剂的碳质量为x kg,则有:
2Fe2O3+3C===4Fe+3CO2↑
x 872.2
36 160
解得炼出一个铁锭需要作还原剂的碳质量为196.245kg(然而反应可逆,实际不只这么多,由于涉及多重平衡移动,在此不多做赘述)
观察可得mc中的煤为烟煤(因为火把燃烧有烟),而烟煤含碳量为80%—90%,这里折中取85%,故提供做还原剂的碳的煤质量为:196.245kg÷85%=230.88kg
一个铁锭的物质的量为:872200g÷56g/mol=15575mol
则需要向体系提供的能量为:15575mol×468.27kJ/mol÷2=3646652.625kJ
查表可知烟煤热值为29000kJ/kg,如果煤与氧气反应放出的热量完全被体系吸收(实际不可能),则需要烟煤质量为:3646652.625kJ÷29000kJ/kg=125.747kg
故炼出一个铁锭需要煤炭356.62kg,反应所需时间为15s。而一个煤块可以燃烧1000s,相当于一个煤炭块可以炼出66.67个铁锭,相当于煤炭23774.9kg。即使煤炭是实心,密度也高达23.77×10?kg/m?。而事实上,烟煤的密度为1.27—1.33×10?kg/m?,故铁块不可能为实心。
最后,也许有人要说一氧化碳还原的问题 该过程涉及这几个反应:
C+O2==CO2
2C+O2==2CO
2CO+O2==2CO2
Fe2O3+CO==2Fe+3CO2
2Fe2O3+3C==4Fe+3CO2
根据Hess定律,对于一个反应,无论反应途径如何,无论是分一步还是几步完成,最终能量变化是一样的。最终结果都是碳还原了铁,自身转化为二氧化碳并放出能量,而铁被还原获得了能量,所以理论上煤的消耗量是一样的。
而现实中,生产1吨铁,上世纪80年代的耗焦炭量(工业上称“焦比”)为450—550kg,先进水平为380—400kg,这是因为先前的计算中假定碳完全转化为CO、CO完全与氧化铁反应、煤燃烧提供的能量完全被体系吸收造成的。如果按照现实情况计算,mc中“煤的密度”会更大,即铁空心的体积更大,如果各位有兴趣可以自行计算。
后记
写本贴的想法最早出现于初三化学课上,当时闲得无聊算了一下,发现了这一有(keng)趣(die)的现象。然而由于时间关系一直没发当时由于没学热力学没考虑体系的能量变化所以算的mc中“煤的密度”为2.5×10?kg/m?(不排除计算错误)。幸好没发,不然某些学过必修二的人看到怕是要装逼不成反被打脸由于编写仓促,如有疏误尽请批评指证。热力学数据摘自无机化学.上册/高等教育出版社—4版(2002.8),密度、熔点、热值等物理数据摘自互联网
拓展阅读——论mc中电炉炼铁可能性
玩过工业mod的人都知道,电炉只需要电而不直接需要燃料就可以炼铁。初中的时候,我一度认为这是不可能的,因为反应中没有还原剂。但事实上反应是可以进行的,只要达到条件,如下反应就可以进行:=2Fe2O3==4Fe+3O2 ΔrHm=-(2ΔfHm(Fe2O3))=-2×(-824.4)kJ/mol=1648.8kJ/mol 这里要引入一个名为吉布斯自由能(符号:ΔG)的概念,当ΔG<0反应自发进行,故ΔG<0时氧化铁会分解为氧气与铁单质。而ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm(其中T为热力学温度,℃-273=T)
与ΔrHm=(∑ΔfHm(生成物))-(∑ΔfHm(反应物))相似,ΔrSm=(∑ΔfSm(生成物))-(∑ΔfSm(反应物)),查表可知ΔrSm(Fe)=27.28J·mol-1·k-1,ΔrSm(Fe2O3)=87.4J·mol-1·k-1,ΔrSm(O2)=205.14J·mol-1·k-1,故ΔrSm=3×205.14J·mol-1·k-1+4×27.28J·mol-1·k-1-2×87.4·mol-1·k-1=579.74J·mol-1·k-1=0.57974kJ·mol-1·k-1。当ΔrGm=1648.8kJ/mol -T×0.57974kJ·mol-1·k-1<0时反应进行,解得T>2999.23K。也就是说温度高于2726.3℃时氧化铁分解为氧气与铁,这个温度称为热力学分解温度。这是在氧分压在一个标准大气压下进行的。而氧分压为非标准状况时需要用到范特霍夫等温方程(ΔrGm=ΔrGθm=+RInJ,具体J的计算请自行查找有关资料),计算量将大大增加,而且在正常范围内对热力学分解温度影响不大,故不再赘述。
尽管热力学上是可行的,也假定无动力学障碍。电炉是由熔炉和铁合成的(我玩过的版本是的,如有错误敬请批评指证),铁的熔点为1500℃左右,在氧化铁的热力学分解温度早已融化;而熔炉是由岩浆岩制成的,岩浆岩中熔点最高的石灰岩熔点为2500℃,在氧化铁的热力学分解温度也已经融化,故铁炉不可能使氧化铁热解。(钨炉倒是可以试试)