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Diagrama de Ellingham

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by

Jean Karla zambrana

on 11 March 2015

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Transcript of Diagrama de Ellingham

Diagrama de Ellingham
Harold Johann Thomas Ellingham
, (1897-1975) fue un químico físico británico, mejor conocido por sus diagramas de Ellingham , que resumen una gran cantidad de información relativa a la extracción metalúrgica . 

Ellingham estudió en el Royal College of Science desde 1914 hasta 1916. Se convirtió en un manifestante en el colegio en 1919 y el lector en química física en 1937.

Fue secretario de la Royal College of Science desde 1940 hasta 1944 y del Real Instituto de Química 1944-1963. Le hicieron un miembro del Imperial College en 1949 y un Oficial de la Orden del Imperio Británico (OBE) en 1962.

Ellingham es mejor conocido por sus diagramas epónimos trazando la energía de Gibbs cambio para la reacción:

2 x / y  M + O 2    2 / y  M x O y

frente a la temperatura. Al normalizar las funciones termodinámicas de la reacción con un mol de oxígeno , Ellingham fue capaz de comparar la estabilidad de la temperatura de muchos diferentes óxidos en el mismo diagrama. 

Energía libre de Gibbs
La energía del universo no cambia
durante el proceso, pero generalmente
habrá un intercambio de energía
entre el sistema y el entorno

Equilibrio y energía libre:
Josiah Willard Gibbs
(1839-1903)
Físico y matemático norteamericano, nacido en Conneticut el 11 de febrero de 1839,se doctoró en Ingeniería por la Universidad de Yale, lo que constituyó el primer doctorado por ingeniería en esa universidad,Se puede considerar a Gibbs como el fundador de la termodinámica química. La regla de las fases fue formulada por Gibbs en 1877.
Mientras mas espontánea sea la reacción, menor sera su energía libre
Si el sistema esta en equilibrio su energía libre sera igual a cero.
Diagrama de Ellingham

Un diagrama de Ellingham es un diagrama que muestra la dependencia de la estabilidad de los compuestos con la temperatura.

Este análisis se utiliza generalmente para evaluar la facilidad de reducción de óxidos y sulfuros de metales..

En metalurgia, los diagramas de Ellingham se utilizan para predecir la temperatura de equilibrio entre un metal, su óxido y el oxígeno, y, por extensión, las reacciones de un metal con azufre, nitrógeno, y otros elementos no metálicos.

Cambios en la reacción:
La posición del equilibrio dicta el avance de la reacción, hacia la izquierda del equilibrio la reacción es posible, hacia la derecha no lo es.
La variación de energía libre de Gibbs (ΔG) es la función de estado que mejor describe la segunda ley en estos sistemas. definiendo las componente:

ΔG: diferencia de energía libre
ΔH: diferencia de entalpía
ΔS: diferencia de entropía
T : temperatura absoluta ( en K)


Ellingham gráfico las relaciones ΔG°-T determinadas experimentalmente para la oxidación y sulfuración de una serie de metales y encontró que estas en forma general se aproximaban a rectas en un rango de temperaturas en el cual no se producían cambios de estado.

La relación puede expresarse por medio de una ecuación simple como :

ΔG°=A+BT con A=ΔH° y B=-ΔS°

De esta manera podemos graficar la variación de energía libre para una reacción, en la cual la intersección con la coordenada y (ΔG°) es igual a ΔH° y la pendiente de la recta es igual a ΔS°, para cualquier reacción.

Podemos encontrar diferentes diagramas de Ellingham, ya sea para oxidación, sulfuración u otro tipo de tratamiento efectuado a los minerales.

Consideremos dos reacciones de oxidación:
2X + O2 = 2XO(1) y Y + O2 = YO2(2)

Restando las dos reacciones tenemos:
Y + 2XO = 2X + YO2

Reacción para la cual la variación de ΔG° con T se muestra en la figura:

Las modificaciones del equilibrio:
En su principio postula que cuando varia alguna de las variables de estado en un sistema en equilibrio, el sistema reacciona de tal forma que la variación se reduzca o anule.
Henri Le Chatelier (1850-1936)
Por debajo de TE X y YO2 son estable con respecto a Y y XO y por encima de TE es a la inversa.

ΔG = G después - G antes
(referido al sistema)

A fin de evitar el calculo de los valores de O2 (Teq)p para cualquier reacción de oxidación, Richardson Añadió otra escala a los diagramas de Ellingham.

A cualquier temperatura la variación en energía libe estándar esta dada por:
ΔG°= -RTlnPo₂(Teq)
Pero:
G = G° + RTlnP
Por lo tanto ΔG° puede ser vista como el descenso en la energía libre de un mol de oxigeno(g) cuando su presión decrece a 1 atm a O₂ (Teq)p atm a la temperatura T. Para una disminución de presión de un mol de un gas ideal ΔG es una función lineal de la temperatura y la pendiente de la recta es RlnP, por lo tanto ΔG se volverá mas negativo con la temperatura si P<1 y mas positivo si P>1. Todas las líneas de ΔG=0 y T=0.

el sistema gana energía. el entorno cede energía al sistema. ΔG > 0 es un proceso endergónico.

Influencia de la presión:
El sistema cede energía. el entorno gana energía del sistema ΔG < 0 es un proceso exergónico

Temperatura de equilibrio: Corte de la recta de la reacción de formación del óxido (ΔGo vs T) con la línea ΔGo=0

Para T<Tequilibrio, ΔGo<0, Formación del óxido

Para T>Tequilibrio, ΔGo>0, Descomposición del óxido

Sólo aplicable a óxidos de metales nobles (menos activos)

Reducción de óxidos por descomposición térmica
Se restan dos reacciones de formación de óxidos

Cuando la diferencia de ΔGo sea negativa, Reducción espontánea del óxido por otro elemento

Proceso en el que el reductor es aluminio: Aluminotermia

Un elemento reduce al óxido de otro cuya recta quede por encima de la del reductor en el diagrama de Ellingham.

Reducción de óxidos con otro elemento
Influencia de la temperatura:
Si la temperatura aumenta lleva al sistema a evolucionar hacia donde absorba calor (endotérmico).
Si la temperatura disminuye el sistema evoluciona en sentido que libere calor (exotérmico).

aA + bB cC + dD
Reacción Endotérmica
aA + bB cC dD
Reacción Exotérmica
Harold Johann Thomas Ellingham, (1897-1975)
Influencia de la concentración:
A presión y temperatura constantes, el sentido del cambio espontáneo es el sentido de la disminución de G.
Si ΔG < 0 proceso irreversible (espontáneo)
Si ΔG > 0 proceso no espontáneo
Si ΔG = 0 proceso reversible (equilibrio)

En un sistema en equilibrio:
si agrego mas de un reactivo, la reacción ira en sentido de formación de productos.
si agrego productos la reacción ira en sentido de formación de reactivos.
la eliminación de un producto consume totalmente un reactivo.
Reactivos Productos
Reactivos Productos
Energía libre de formación
Definimos la energía libre estándar de formación de un compuesto como el cambio de energía libre que acompaña al proceso de formación de un mol de dicho compuesto en su estado estándar, a partir de sus elementos en sus estados estándar.
.... Otras formas de calcular energía libre

La relación de Van't Hoff permite calcular a partir de la variación de energía libre, la constante K a diferentes temperaturas, en función de la entalpía
Ecuación
Gibbs - Helmholtz
En un sistema en equilibrio, se tiene que la variación de entalpía es igual a la vacación de entropía por la temperatura, así se obtiene la ecuación de Clausius Clapeyron:
... Energía libre en función de la presión y temperatura.
... Una aplicación de lo anterior
Esta ecuación puede ser utilizada para explicar el deslizamiento de los patines en el hielo. Aquí ΔV S, L es negativo, (dP/dT)equilibrio es negativo debido a que ΔHS, L es negativo en todo sistema. Esto hace que al aumentar la presión disminuya la temperatura de fusión del agua, si esto acurre bajo 0°c (fusión agua) el patín ejerce presión en el hielo agua liquida permita su fácil desplazamiento en la superficie
La variación de energía es función de las concentraciones de los reactantes y de los productos

Si la concentración de los reactantes y de los productos son de 1 [M], se tiene que:

Integrantes.
Universidad de Atacama
junio de 2014
Profesor: Juan Chamorro
Asignatura: Termodinámica
Jean Karla Zambrana
Gabriela Yánez Pizarro
Vanessa Valderrama
María José
Peña Ponce
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