Ellinghamin diagrammi

Ellinghamin diagrammi on metallurgiassa käytettävä diagrammi, jossa abskissana eli x-akselilla on lämpötila ja ordinaattina eli y-akselilla Gibbsin energia. Ellinghamin diagrammi kuvaa aineen muodostumisenergiaa lämpötilan funktiona. Metallurgiassa Ellinghamin diagrammia käytetään ennustettaessa tasapainolämpötilaa metallioksidin ja pelkistyneen metallin ja hapen välillä.

Ellingham-Richrdsonin diagrammi. Nouseva viiva kuvaa metallioksidin muodostumisenergiaa, laskeva viiva metallin pelkistymisen energiaa. Pisteessä, jossa viivat leikkaavat toisensa, metalli alkaa pelkistymään.

Metallurgiassa yleisesti käytettävissä lämpötiloissa metalli ja metallioksidi ovat kiinteitä tai nesteitä, ja happi kaasufaasissa. Le Châtelier'n periaatteen mukaisesti lämpötilan nostaminen siirtää reaktion tasapainoa endotermisen reaktion puolelle. Tällöin metallioksidin muodostumisen ΔG laskee lämpötilan funktiona ja eksoterminen hapettumisreaktio hidastuu. Kun lämpötila nousee riittävän korkeaksi, reaktio voi kääntyä ja oksidi pelkistyä spontaanisti metalliksi.

Jos läsnä on kaksi metallia, on myös kaksi tasapainotilaa, ja metalli, jonka ΔG on pienempi, pelkistyy toisen hapettuessa.

Teollisissa prosesseissa pelkistimenä käytetään yleensä hiiltä, joka on halpaa ja saatavina helposti pelkistyneenä alkuaineena koksina.

Hiilen reagoidessa hapen kanssa se muodostaa kaasumaisia oksideja, hiilimonoksidia ja hiilidioksidia, joten sen dynamiikka on erilainen kuin metallien. Hiilen ΔG kasvaa lämpötilan kasvaessa, mutta hiilidioksidin muodostumisentalpia on lämpötilan suhteen vakio, kun taas hiilimonoksidilla se kasvaa; hiilimonoksidi on Le Châtelier'n periaatteen mukaisesti vallitseva hiilen oksidi korkeissa lämpötiloissa, ja Boudouardin tasapainoreaktion mukaisesti hiilidioksidi hajoaa hiilimonoksidiksi ja hapeksi korkeissa lämpötiloissa. Hiili siis kykenee pelkistämään metalleja ja riistämään oksideista hapen sekä kiinteässä faasissa että hiilimonoksidina. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää metallien pelkistämiseen kaksoisredoxreaktiona suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa.