Définition
Thermochimie
La thermochimie est la branche de la chimie qui étudie les relations entre les réactions chimiques et les échanges de chaleur. Elle concerne les changements énergétiques qui accompagnent les transformations chimiques et physiques.
Diagramme d'Ellingham
Un diagramme d'Ellingham est un graphique qui montre la variation de l'énergie libre standard de formation (ΔG°) d'un oxyde métallique en fonction de la température. Ce diagramme permet de déterminer les conditions thermodynamiques requises pour réduire les oxydes métalliques en métaux purs.
Énergie libre de Gibbs
L'énergie libre de Gibbs (G) est une fonction thermodynamique qui permet de prédire la spontanéité d'une réaction chimique. Une réaction est spontanée si la variation de l'énergie libre (ΔG) est négative.
Utilisation du diagramme d'Ellingham
Les diagrammes d'Ellingham sont principalement utilisés en métallurgie pour évaluer la faisabilité thermodynamique des procédés de réduction des oxydes métalliques. Ils fournissent une vue d'ensemble des conditions sous lesquelles différents oxydes peuvent être réduits et les paramètres thermodynamiques associés.
Les diagrammes montrent généralement comment ΔG° varie avec la température. Les réactions sont indiquées par des lignes, chaque ligne représentant une réaction d'oxydo-réduction spécifique. La pente d'une ligne est liée à la variation d'entropie (ΔS°) et l'axe de température indique si une réaction devient plus favorable à des températures plus élevées ou plus basses.
Interprétation des lignes dans un diagramme d'Ellingham
Dans un diagramme d'Ellingham, chaque ligne représente une réaction chimique, généralement la formation d'un oxyde à partir d'un métal et de l'oxygène. La position et l'inclinaison de ces lignes permettent de comparer la stabilité des oxydes à différentes températures.
Une ligne en pente ascendante indique que la réaction devient moins favorable à mesure que la température augmente, ce qui est typique des formations d'oxydes métalliques car l'entropie diminue généralement pour ces réactions.
Les intersections entre les lignes de différentes réactions révèlent les points où il est possible de rendre une réaction favorable en termes de thermodynamique en utilisant une autre réaction; cela informe sur la réduction directe d'un oxyde par un autre métal.
Applications pratiques
Le diagramme d'Ellingham est utilisé pour choisir les conditions optimales pour les procédés de réduction dans l'extraction des métaux. Par exemple, il aide à sélectionner un agent réducteur approprié qui peut être un autre métal, le carbone, ou un gaz comme l'hydrogène.
Outre la métallurgie, le diagramme est aussi utile pour analyser les processus impliquant des céramiques conductrices ou des semi-conducteurs, où la stabilité thermique et la réduction d'oxydes spécifiques sont pertinentes.
Il sert également à comprendre la corrosion et l'oxydation à haute température, fournissant des indications sur les matériaux qui pourraient offrir de meilleures résistances ou nécessiter des traitements particuliers.
A retenir :
La thermochimie et le diagramme d'Ellingham sont essentiels pour comprendre et prédire les réactions chimico-énergétiques dans la métallurgie et d'autres industries. Le diagramme d'Ellingham offre une représentation visuelle de la spontanéité des réactions d'oxydation et de réduction, en rapport avec la température, ce qui est crucial pour l'extraction et le traitement des métaux. En utilisant ce diagramme, les métallurgistes peuvent déterminer les conditions thermodynamiques optimales pour obtenir des métaux à partir de leurs oxydes, rendant ce concept fondamental pour diverses applications industrielles et recherches scientifiques.
