Diagramas de Ellingham para CO y CO2
Introducción
En metalurgia, En metalurgia, los los diagramas de Ellingham se utilizan para predecir la temperatura de equilibrio entre un metal, un metal, su óxido su óxido y el oxígeno, el oxígeno, y por extensión, las reacciones de un metal con azufre con azufre,, nitrógeno, y otros elementos elementos no metálicos. Los diagramas son útiles para predecirlas condiciones en las que un mineral metálico será reducido al metal.
Metales en la Naturaleza Naturaleza → Óxidos o minerales transformables en óxidos. Método general de obtención de metales → Reducción de óxidos. Variación de la energía libre de formación del óxido → Posibilidad de reducción de los óxidos metálicos por descomposición térmica y mediante otro elemento
Construcción del Diagrama de Elligham
Un Diagrama de Ellingham es un gráfico ∆G versus temperatura. Ya que ∆H y ∆S son esencialmente constantes con la temperatura a menos que ocurra un cambio de fase, el gráfico de energía libre versus la temperatura puede dibujarse como una serie de
rectas, donde ∆S es la pendiente y ∆H es el intercepto con el eje Y. La pendiente de la recta cambia cuando cualquiera de los materiales se mezclan, se funden o se vaporizan .
La energía libre de formación es negativa para la mayoría de los óxidos, y entonces el
diagrama se escribe un ∆G=0 en la parte superior del diagrama, y los valores de ∆G mostrados son todos números negativos.
Las temperaturas donde, ya sea el metal o el óxido, se funden o vaporizan están marcadas en el diagrama.
La mayoría de las rectas con pendiente positiva, son porque el metal y el óxido están
presentes como fases condensadas (sólidas o líquidas). En las reacciones están por tanto reaccionando un gas con una fase condensada para formar otra fase condensada, lo que reduce la entropía. Una notable excepción a esto es la oxidación del carbón sólido.
La recta para la ecuación: C + O2 ==> CO2 es un sólido reaccionando con un mol de gas pata producir un mol de gas, y entonces hay un pequeño cambio en la entropía y la recta se vuelve casi horizontal. Para la reacción 2C + O2 ==> 2CO tenemos un sólido reaccionando con un gas para producir dos moles de gas, entonces hay un incremento sustancial en la entropía y la pendiente de la recta cambia bruscamente hacia abajo. Un comportamiento similar puede ser visto en partes de las rectas del plomo y el litio, dos de los cuales tienen óxidos que ebullen a una temperatura un poco más baja que los metales. Usos de los Diagramas de Ellingham :
Para determinar la facilidad de reducir un óxido metálico dado a metal.
Para determinar la presión parcial de oxígeno que está en equilibrio con un óxido metálico a una temperatura dada.
Para determinar el rango entre monóxido de carbono y dióxido de carbono que será capaz de reducir el óxido a metal a una temperatura dada.
Reducción de óxidos con otro elemento
Carbono como reductor de óxidos metálicos
Reacciones
2 C (s) + O 2 (g) 2 CO (g) Aumento del nº moléculas gaseosas, aumenta la entropía (la pendiente negativa). C (s) + O 2 (g) CO2 (g) No cambia el nº moléculas gaseosas, no hay cambio de entropía (pendiente casi nula). 2CO (g) + O 2 (g) 2 CO2 (g) Disminución del nº moléculas gaseosas, disminuye la entropía, (pendiente positiva). Diagrama de Ellingham Punto de corte de las tres reacciones (978 K)
T<983 K Formación de CO 2 favorecida por la tercera reacción CO como reductor a baja T
T>983 K Formación de CO favorecida por la primera reacción C como reductor a alta T
Para de CO
y CO2 (faltaaaa)
Considere el equilibrio 2CO + O2 = 2CO2 G
o
o
o
H S T RT ln K RT ln(
En equilibrio se tiene:
2 pCO 2 2 pCO pO2
)eq
pCO pCO eq Note que Hº y Sº son conocidos. Además, T y , podemos lograr la presión 2
parcial de O2 en equilibrio
( pO2 ) Eq
requerida.
pCO pCO eq Los cálculos se facilita si se crea un nomograma de . Para ello se despeja el 2
término
RT ln( pO2 ) eq
con el fin de obtener la ecuación de una recta:
2 p CO o o RT ln( pO ) eq H ( 2CO ) R ln S ( 2CO ) T p CO eq 2
2
(1)
2
2
o
cuyo intercepto con el origen es
H ( 2CO
2)
= -562 kJ
pCO o pCO eq S ( 2CO ) Además, siendo = 0.17 kJ/K, asignándole valores a la relación se 2
2
genera el nomograma deseado que facilita la determinación gráfica del valor de
( p O2 ) eq
pCO Z 10 pCO eq correspondiente. Finalmente, usando , se simplifica la ecuación al 2
introducir
todos
RT ln( pO2 ) eq
los
C
valores,
= -562+[0.0383ZC+0.17]T
pCO pCO eq Para = 1, la ecuación se reduce pero aplicada a la reacción 2
quedando:
