Diagram Ellingham

Diagram Ellingham Energi bebas Gibbs (ΔG) merupakan besaran dari pemicu dalam proses termondinamika yang menyebabkan terjadi atau tidaknya suatu reaksi. Nilai negatif dari ΔG menandakan bahwa reaksi terjadi secara spontan tanpa adanya energi dari luar, sedangkan jika nilai dari ΔG positif maka reaksi yang terjadi tidak spontan dan membutuhkan energi agar reaksi tersebut dapat terjadi. Persamaan dari energi bebas Gibbs, yaitu[1]:

∆ G=∆ H−T ∆ S di mana ΔH (J) adalah entalpi, T merupakan temperatur absolut (K), dan ΔS adalah entropi (JK-1). Entalpi merupakan nilai dari energi aktual yang terbagi ketika terjadinya suatu reasksi (heat of reaction). Jika nilainya negatif, maka reaksinya menghasilkan energi, dan sebaliknya jika positif maka reaksinya membutuhkan

energi.

Sedangkan

entropi

merupakan

probabilitas

dari

perubahan ketidakteraturan atom-atom dalam produk dibandingkan dengan reaktan. Contohnya yaitu jika terdapat padatan (atomnya teratur) bereaksi dengan liquid (atomnya kurang teratur) dan menghasilkan suatu gas (sangat tidak teratur) sehingga terjadi delta yang sangat positif pada reaksi tersebut.

Gambar 1 Perbedaan nilai entropi pada masing-masing fasa[2]

Diagram Ellingham merupakan diagram yang diplot berdasarkan ΔG vs temperatur. Karena nilai ΔH dan ΔS pada dasarnya bersifat konstan terhadap temperatur kecuali terjadi permubahan fasa, sehingga energi bebas Gibbs (ΔG) vs temperatur dapat digambarkan sebagai persamaan garis lurus dengan ΔS sebagai gradien dan ΔH sebagai konstanta. Perubahan gradien akan terjadi ketika terjadinya perubahan fasa pada material yang meliputi pelelehan ataupun penguapan.

y=mx +c di mana: y = ΔG; m = - ΔS; x = T; dan c = ΔH.

Energi bebas pembentukan pada kebanyakan oksida logam bernilai negatif, sehingga pada diagram Ellingham digambarkan dengan garis ΔG = 0 pada sisi atas diagram. Sedangkan temperatur di mana logam ataupun oksida logam mengalami pelelehan ataupun penguapan ditandai dengan tanda berbeda pada diagram tersebut, seperti terlihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Diagram Ellingham[3]

Seperti terlihat pada Gambar 2, diagram Ellingham digambakan sebagai reaksi dari logam menjadi oksidanya. Tekanan parsial dari oksigen disamakan menjadi 1 atm, dan semua reaksi diseragamkan sehingga hanya bereaksi dengan satu mol oksigen.

Mayoritas dari gradien garis pada diagram Ellingham bernilai positif atau naik ke atas. Hal tersebut terjadi karena fasa dari logam maupun oksidanya dalam bentuk fasa terkondensasi Ketika

terjadi

reaksi

(padatan atau cairan).

antara

gas

dengan

fasa

terkondensasi dan menghasilkan fasa terkondensasi lain yang berupa oksida logam, nilai dari entropi akan turun. Salah satu contoh dari reaksi tersebut yaitu:

2∋+O2 →2 NiO Pada persamaan reaksi

C+O2 →CO 2 , terjadi reaksi

antara fasa solid dengan satu mol gas dan menghasilkan satu mol senyawa dengan fasa gas, sehingga perubahan entropinya sangat sedikit (ΔS ≈ 0) dan menghasilkan garis yang mendekati horizontal. Gradien

garis

akan

bernilai

negatif

perubahan entropinya

bernilai

reaksi

yang

mempunyai gradien garis

Pada reaksi tersebut

terjadi reaksi antara fasa

padat

dengan

kemudian menghasilkan 2

mol

fasa

positif.

jika Contoh

negatif adalah

2C +O2 → 2 CO

gas gas,

sehingga

terjadi

peningkatan nilai entropi (ΣS produk > ΣS reaktan), maka ΔS bernilai positif, karena ΔS bernilai positif maka gradien kemiringan garisnya bernilai negatif. Posisi garis dari suatu reaksi pada diagram Ellingham menunjukan kestabilan oksida sebagai fungsi dari temperatur. Reaksi yang berada pada bagian atas diagram adalah logam yang bersifat lebih mulia (contohnya emas dan platina), dan oksida dari logam ini bersifat tidak stabil dan mudah tereduksi. Semakin kebawah posisi garis reaksi maka logam bersifat semakin reaktif dan oksida menjadi semakin stabil. Suatu logam dapat digunakan untuk mereduksi oksida jika garis oksida yang akan direduksi terletak diatas garis logam yang digunakan sebagai reduktor. Contoh, garis

2 Mg +O2 → 2 MgO

terletak dibawah garis

Ti+O2 →TiO 2 , maka

magnesium dapat digunakan untuk mereduksi titanium oksida menjadi logam titanium.

Karbon merupakan bahan yang paling sering digunakan sebagai reduktor untuk mereduksi oksida menjadi logamnya. Pada diagram Ellingham garis reaksi

2C +O2 → 2 CO

mempunyai gradien yang negatif, sehingga data yang didapat

dari perpotongan garis ini dengan garis pembentukan oksida lainnya dapat dijadikan acuan untuk mereduksi oksida. Contoh karbon dapat mereduksi kromium oksida menjadi kromium pada temperatur lebih dari 1225 0C. Diagram Ellingham juga dapat digunakan untuk menentukan rasio antara CO dan CO2 yang dibutuhkan untuk dapat mereduksi logam oksida menjadi logam. Selain itu diagram ini dapat digunakan untuk mengetahui kesetimbangan dari tekanan partial oksigen dari logam atau oksida saat temperatur tertentu. Daftar Pustaka [1] Gaskell, David R. 2003. Introduction to the Thermodynamics of Materials. New York: Taylor & Francis. [2] Katili, Sari. 2012. Diktat Mata Kuliah Termodinamika Material. Departemen Teknik Metalurgi dan Material. [3] web.mit.edu/2.813/www/readings/ Ellingham_diagrams.pdf diakses tanggal 29 September 2014 pukul 20:00 WIB. [4] http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php diakses

tanggal 2 Oktober 2014 pukul 08:00 WIB.