Ellingham (Ellingham) -diagrammet är en graf över förändringen i Gibbs fria energi för en process som en funktion av temperaturen för olika reaktioner, till exempel bildandet av oxider, sulfider eller nitrider av olika grundämnen. Dessa diagram konstruerades först av Harold Ellingham 1944. [1] Inom metallurgi används Ellingham-diagram för att beräkna temperaturen vid jämvikt mellan en metall, syre och motsvarande oxid . På samma sätt beräknas jämviktstemperaturer i reaktionerna för bildning av andra föreningar med icke-metaller. Omvänt kan Ellingham-diagram vara användbara när man försöker förutsäga de förhållanden under vilka en metallmalm (vanligtvis metalloxid, metallsulfid) kommer att reduceras till metall.
Ellingham-diagram är en speciell grafisk representation av termodynamikens andra lag . De återspeglar beroendet av förändringen i Gibbs fria energi på temperaturen. Vanligtvis används dessa diagram för att överväga reaktionerna vid bildning av metalloxider. Oxidbildningsreaktioner inträffar vanligtvis vid sådana temperaturer vid vilka metallen och dess oxid är i ett kondenserat tillstånd , syre, respektive i ett gasformigt tillstånd. Reaktioner kan vara antingen exotermiska eller endotermiska, men ΔG för en reaktion blir alltid mer negativ med sjunkande temperatur. Detta gör en oxidationsreaktion statistiskt sett mer sannolik än en reduktionsreaktion när temperaturen sänks. Vid tillräckligt höga temperaturer (i motsats till vad många tror att reaktionshastigheten ökar med ökande temperatur) kan tecknet på ΔG ändras till det motsatta, och oxiden kommer spontant att reduceras till metall.
Eftersom de flesta beräkningar av förloppet av kemiska reaktioner är baserade på rent energetiska grunder, bör det sägas att reaktionen kan eller inte kan ske spontant på kinetiska grunder - om till exempel ett eller flera reaktionssteg har för höga aktiveringsenergier .
Om två metaller är involverade i processen måste två jämvikter beaktas, eftersom metallen med det mer negativa ΔG-värdet reduceras från oxiden, medan den andra oxideras.
I industriella processer utförs reduktionen av metaller från deras oxider ofta med kol, vilket är mycket billigare än andra reduktionsmedel. Dessutom, när kol reagerar med syre, bildar det två gasformiga oxider, så dynamiken i dess oxidation skiljer sig från dynamiken för oxidation av metaller: med ökande temperatur blir förändringen i Gibbs-energin mer negativ. Därför kan kol vara ett reduktionsmedel både i form av ett enkelt ämne och i form av en oxid, vilket gör det möjligt att genomföra reduktionen av metaller i form av en dubbel redoxreaktion vid en relativt låg temperatur.
Ellingham-diagram används främst inom metallurgi, där de låter dig välja det mest effektiva reduktionsmedlet för utvinning av metaller från malmer och lämpliga förhållanden.
Vid smältning av hematitmalmer i en masugn sker reduktion i den övre delen av ugnen, vid en temperatur av 600 o C - 700 o C. Från Ellingham-diagrammet kan vi dra slutsatsen att kolmonoxid är reduktionsmedlet i denna temperaturintervall, eftersom processen 2CO + O 2 → 2CO 2 kännetecknas av en mer negativ Gibbs-energiförändring än 2C + O 2 → 2CO-processen. Det betyder att det är CO som reduceras vid smältning av hematit, även om kol också finns i ugnen. Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2
Vid höga temperaturer går kurvan på diagrammet som motsvarar reaktionen 2C (s) + O 2 (g) → 2CO (s) ner och blir lägre än alla kurvor som motsvarar metaller. Därför kan kol med framgång användas som reduktionsmedel för alla metalloxider vid mycket höga temperaturer. Vid en tillräckligt hög temperatur reagerar emellertid det reducerade kromet med kol för att bilda kromkarbid, vilket leder till otillräcklig renhet och oönskade egenskaper hos den resulterande krommetallen. Därför är kol inte lämpligt som reduktionsmedel för högtemperaturreduktion av kromoxid.
Ellingham-kurvan för aluminium ligger alltid under kurvorna för metaller som Cr, Fe, etc. Således är det möjligt att bestämma de metaller som kan erhållas genom aluminotermi av deras oxider. Ett exempel illustreras nedan:
Gibbs fria energivärden för bildning av krom(III)oxid och aluminium(III)oxid, reducerade till 1 mol syre: -540 kJ respektive -827 kJ. Reaktioner av deras bildande:
Skillnaden mellan ekvationerna (2) och (1) ger
2Cr 2 O 3 (tv) + 4Al (tv) → 2Al 2 O 3 (tv) + 4Cr (tv) AGo = -287 kJEftersom Gibbs-energin är negativ kan aluminium användas som reduktionsmedel för att producera krom.