Question 16.5: Iron, a large component of steel, is obtained by reducing ir...

Iron, a large component of steel, is obtained by reducing iron(III) oxide (present in hematite ore) with hydrogen in a blast furnace. Steam is a byproduct of the reaction. Calculate ΔG° at 230°C for the reduction of one mole of Fe_{2}O_{3}.

ANALYSIS
n Fe_{2}O_{3} (one mole); temperature (230°C) Information given:
Table 8.3 (ΔH°_{f} values)
Table 16.1 (S° values)
Information implied
ΔG° Asked for

Table 8.3 Standard Enthalpies of Formation at 25°C (kJ/mol) of Compounds at 1 atm, Aqueous Ions at 1 M

Compounds
-365.6 NH_{4}NO_{3}(s) -241.8 H_{2}O(g) -795.8 CaCl_{2}(s) -100.4 AgBr(s)
+90.2 NO(g) -285.8 H_{2}O(l) -1206.9 CaCO_{3}(s) -127.1 AgCl(s)
+33.2 NO_{2}(g) -187.8 H_{2}O_{2}(l) -635.1 CaO(s) -61.8 Agl(s)
+9.2 N_{2}O_{4}(g) -20.6 H_{2}S(g) -986.1 Ca(OH)_{2}(s) -124.4 AgNO_{3}(s)
-411.2 NaCl(s) -814.0 H_{2}SO_{4}(l) -1434.1 CaSO_{4}(s) -31.0 Ag_{2}O(s)
-573.6 NaF(s) -90.8 HgO(s) -391.5 CdCl_{2}(s) -1675.7 Al_{2}O_{3}(s)
-425.6 NaOH(s) -393.8 KBr(s) -258.2 CdO(s) -858.6 BaCl_{2}(s)
-239.7 NiO(s) -436.7 KCl(s) -1139.7 Cr_{2}O_{3}(s) -1216.3 BaCO_{3}(s)
-278.7 PbBr_{2}(s) -397.7 KClO_{3}(s) -157.3 CuO(s) -553.5 BaO(s)
-359.4 PbCl_{2}(s) -432.8 KClO_{4}(s) -168.6 Cu_{2}O(s) -1473.2 BaSO_{4}(s)
-219.0 PbO(s) -494.6 KNO_{3}(s) -53.1 CuS(s) -135.4 CCl_{4}(l)
-277.4 PbO_{2}(s) -641.3 MgCl_{2}(s) -79.5 Cu_{2}S(s) -134.5 CHCl_{3}(l)
-287.0 PCl_{3}(g) -1095.8 MgCO_{3}(s) -771.4 CuSO_{4}(s) -74.8 CH_{4}(g)
-374.9 PCl_{5}(g) -601.7 MgO(s) -823.0 Fe(OH)_{3}(s) +226.7 C_{2}H_{2}(g)
-910.9 SiO_{2}(s) -924.5 Mg(OH)_{2}(s) -824.2 Fe_{2}O_{3}(s) +52.3 C_{2}H_{4}(g)
-580.7 SnO_{2}(s) -1284.9 MgSO_{4}(s) -1118.4 Fe_{3}O_{4}(s) -84.7 C_{2}H_{6}(g)
-296.8 SO_{2}(g) -385.2 MnO(s) -36.4  HBr(g) -103.8 C_{2}H_{8}(g)
-395.7 SO_{3}(g) -520.0 MnO_{2}(s) -92.3 HCl(g) -238.7 CH_{3}OH(l)
-208.0 ZnI_{2}(s) -46.1 NH_{3}(g) -271.1 HF(g) -277.7 C_{2}H_{5}OH(l)
-348.3 ZnO(s) +50.6 N_{2}H_{4}(l) +26.5 HI(g) -110.5 CO(g)
-206.0 ZnS(s) -314.4 NH_{4}Cl(s) -174.1 HNO_{3}(l) -393.5 CO_{2}(g)
Anions Cations
-1292.1 HPO_{4}^{2-}(aq) -121.6 Br^{-}(aq) +171.1 Hg^{2+}(aq) +105.6 Ag^{+}(aq)
-887.3 HSO_{4}^{-}(aq) -677.1 CO_{3}^{2-}(aq) -252.4  K^{+}(aq) -531.0 Al^{3+}(aq)
-55.2 I^{-}(aq) -167.2 Cl^{-}(aq) -466.8 Mg^{2+}(aq) -537.6 Ba^{2+}(aq)
-541.4 MnO_{4}^{-}(aq) -104.0 ClO_{3}^{-}(aq) -220.8 Mn^{2+}(aq) -542.8 Ca^{2+}(aq)
-104.6 NO_{2}^{-}(aq) -129.3 ClO_{4}^{-}(aq) -240.1 Na^{+}(aq) -75.9 Cd^{2+}(aq)
-205.0 NO_{3}^{-}(aq) -881.2 CrO_{4}^{2-}(aq) -132.5 NH_{4}^{+}(aq) +71.7 Cu^{+}(aq)
-230.0 OH^{-}(aq) -1490.3 Cr_{2}O_{7}^{2-}(aq) -54.0 Ni^{2+}(aq) +64.8 Cu^{2+}(aq)
-1277.4 PO_{4}^{3-}(aq) -332.6 F^{-}(aq) -1.7 Pb^{2+}(aq) -89.1 Fe^{2+}(aq)
+33.1 S^{2-}(aq) -692.0 HCO_{3}^{-}(aq) -8.8 Sn^{2+}(aq) -48.5 Fe^{3+}(aq)
-909.3 SO_{4}^{2-}(aq) -1296.3 H_{2}PO_{4}^{-}(aq) -153.9 Zn^{2+}(aq) 0.0 H^{+}(aq)

Table 16.1 Standard Entropies at 25°C (J/mol·K) of Elements and Compounds at 1 atm, Aqueous Ions at 1 M

Elements
Ag(s)              42.6              Cl_{2}(g)               223.0              I_{2}(s)               116.1              O_{2}(g)                  205.0
Al(s)               28.3              Cr(s)                 23.8                 K(s)                 64.2               Pb(s)                    64.8
Ba(s)              62.8               Cu(s)                 33.2                 Mg(s)              32.7              P_{4}(s)                   164.4
Br_{2}(l)             152.2            F_{2}(g)                 202.7               Mn(s)              32.0              S(s)                      31.8
C(s)                5.7                 Fe(s)                  27.3                  N_{2}(g)               191.5            Si(s)                     18.8
Ca(s)              41.4              H_{2}(g)                130.6                Na(s)               51.2               Sn(s)                   51.6
Cd(s)             51.8                Hg(l)                 76.0                  Ni(s)                29.9              Zn(s)                    41.6
Compounds
AgBr(s)          107.1          CaCl_{2}(s)             104.6              H_{2}O(g)             188.7            NH_{4}NO_{3}(s)         151.1
AgCl(s)          96.2          CaCO_{3}(s)            92.9                H_{2}O(l)              69.9               NO(g)                   210.7
AgI(s)            115.5          CaO(s)                 39.8                H_{2}O_{2}(l)            109.6            NO_{2}(g)                 240.0
AgNO_{3}(s)     140.9        Ca(OH)_{2}(s)         83.4              H_{2}S(g)              205.7            N_{2}O_{4}(g)              304.2
Ag_{2}O(s)        121.3          CaSO_{4}(s)            106.7              H_{2}SO_{4}(l)          156.9             NaCl(s)                  72.1
Al_{2}O_{3}(s)       50.9          CdCl_{2}(s)            115.3                HgO(s)              70.3               NaF(s)                  51.5
BaCl_{2}(s)       123.7          CdO(s)                54.8                KBr(s)               95.9               NaOH(s)               64.5
BaCO_{3}(s)     112.1          Cr_{2}O_{3}(s)            81.2                KCl(s)                82.6               NiO(s)                  38.0
BaO(s)          70.4           CuO(s)                42.6                KClO_{3}(s)           143.1            PbBr_{2}(s)              136.0
BaSO_{4}(s)     132.2         Cu_{2}O(s)             93.1                KClO_{4}(s)           151.0            PbCl_{2}(s)              136.0
CCl_{4}(l)          216.4          CuS(s)               66.5                KNO_{3}(s)            133.0            PbO(s)                  66.5
CHCl_{3}(l)      201.7          Cu_{2}S(s)             120.9              MgCl_{2}(s)            89.6            PbO_{2}(s)                68.6
CH_{4}(g)        186.2         CuSO_{4}(s)           107.6              MgCO_{3}(s)          65.7              PCl_{3}(g)                311.7
C_{2}H_{2}(g)      200.8         Fe(OH)_{3}(s)       106.7              MgO(s)                26.9            PCl_{5}(g)                 364.5
C_{2}H_{4}(g)      219.5          Fe_{2}O_{3}(s)           87.4                Mg(OH)_{2}(s)       63.2              SiO_{2}(s)                41.8
C_{2}H_{6}(g)      229.5         Fe_{3}O_{4}(s)           146.4              MgSO_{4}(s)          91.6              SnO_{2}(s)               52.3
C_{3}H_{8}(g)      269.9         HBr(g)               198.6              MnO(s)              59.7              SO_{2}(g)                248.1
CH_{3}OH(l)   126.8         HCl(g)                186.8              MnO_{2}(s)            53.0            SO_{3}(g)                256.7
C_{2}H_{5}OH(l)  160.7        HF(g)                 173.7                NH_{3}(g)              192.3            ZnI_{2}(s)               161.1
CO(g)          197.6           HI(g)                 206.5              N_{2}H_{4}(l)              121.2            ZnO(s)               43.6
CO_{2}(g)        213.6         HNO_{3}(l)            155.6                NH_{4}Cl(s)            94.6              ZnS(s)                57.7
Cations                                                                              Anions
Ag^{+}(aq)         72.7         Hg^{2+}(aq)         -32.2               Br^{-}(aq)                82.4         HPO_{4}^{2-}(aq)         -33.5
Al^{3+}(aq)       -321.7      K^{+}(aq)             102.5               CO_{3}^{2-}(aq)         -56.9         HSO_{4}^{-}(aq)              131.8
Ba^{2+}(aq)       9.6          Mg^{2+}(aq)        -138.1             Cl^{-}(aq)                56.9             I^{-}(aq)                    111.3
Ca^{2+}(aq)      -53.1         Mn^{2+}(aq)        -73.6              ClO_{3}^{-}(aq)            162.3         MnO_{4}^{-}(aq)            191.2
Cd^{2+}(aq)       -73.2       Na^{+}(aq)            59.0             ClO_{4}^{-}(aq)             182.0         NO_{2}^{-}(aq)               123.0
Cu^{+}(aq)         40.6         NH_{4}^{+}(aq)         113.4           CrO_{4}^{2-}(aq)         50.2           NO_{3} ^{-}(aq)              146.4
Cu^{2+}(aq)       -99.6        Ni^{2+}(aq)         -128.9          Cr_{2}O_{7}^{2-}(aq)       261.9          OH^{-}(aq)                  -10.8
Fe^{2+}(aq)       -137.7       Pb^{2+}(aq)         10.5              F^{-}(aq)                    -13.8           PO_{4}^{3-}(aq)             -222
Fe^{3+}(aq)       -315.9       Sn^{2+}(aq)         -17.4            HCO_{3}^{-}(aq)            91.2          S^{2-}(aq)                   -14.6
H^{+}(aq)         0.0            Zn^{2+}(aq)         -112.1           H_{2}PO_{4}^{-}(aq)         90.4          SO_{4}^{2-}(aq)              20.1

STRATEGY

1. Write a balanced equation for the reaction.
2. Find ΔH°_{f} values in Table 8.3 (or Appendix 1) and substitute into Equation 8.3 to obtain ΔH°.

q_{calorimeter}  =  C_{cal} × Δt                  (8.3)
3. Find S° values in Table 16.1 (or Appendix 1) and substitute into Equation 16.1 to obtain ΔS°. (Remember to convert J/K to kJ/K.)
4. Change °C to K and substitute the values for ΔH° and ΔS° into the Gibbs-Helmholtz equation (Equation 16.2) to obtain ΔG°.

ΔG° = ΔH° – TΔS°                                 (16.2)

The blue check mark means that this solution has been answered and checked by an expert. This guarantees that the final answer is accurate.
Learn more on how we answer questions.
Fe_{2}O_{3}(s)  +  3H_{2}(g)  →  2Fe(s)  +  3H_{2}O(g) 1. Equation
ΔH° = 3ΔH°_{f} H2O(g) – ΔH°_{f} Fe_{2}O_{3}(s)  =  -725.4 kJ  +  824.2 kJ  =  +98.8 kJ 2. ΔH°
ΔS° = 3S° H_{2}O(g)  +  2S°  Fe(s)  –  3S° H_{2}(g)  –  S°  Fe_{2}O_{3}(s)

= 566.1 J/K + 54.6 J/K – 391.8 J/K – 87.4 J/K = +141.5 J/K = +0.1415 kJ/K

3. ΔS°
ΔG° = ΔH° – TΔS° = 98.8 kJ – (273 + 230)K (0.1415 kJ/K) = +27.6 kJ 4. ΔG°

Related Answered Questions

Question: 16.6

Verified Answer:

ΔH° = 98.8 kJ; ΔS° = 0.1415 kJ/K ΔH°; ΔS° ΔG° = ...
Question: 16.8

Verified Answer:

ΔG° = ΔG°_{f}  Pb^{2+}(aq)  +  2ΔG°_{f}  Cl...