Ellingham diyagramı nasıl okunur?

Ellingham Diyagramını 5 Adımda Kullanma: FeO’nun CO ile İndirgenmesi

Adım 1 • İlgilenilen Sıcaklığı Seç

Ellingham diyagramında yatay eksen sıcaklığı gösterir. Bu nedenle ilk olarak prosesin çalışacağı sıcaklık belirlenmelidir.

Örneğin:

T = 1000 °C

seçildiğini düşünelim.

Diyagramda 1000 °C noktasından yukarı doğru hayali bir dik çizgi çizerek ilgilendiğimiz reaksiyonların bu sıcaklıktaki konumlarını karşılaştırırız.

Bunun nedeni, reaksiyon çizgilerinin birbirlerine göre konumunun sıcaklıkla değişebilmesidir. Düşük sıcaklıkta elverişsiz olan bir indirgeme, yüksek sıcaklıkta elverişli hale gelebilir.

Adım 2 • Hedef Metal Oksidinin Çizgisini Bul

İndirgemek istediğimiz oksit:

FeO

olduğuna göre Ellingham diyagramında Fe/FeO oksidasyon çizgisini bulmamız gerekir.

Bu çizgi uygun stokiyometrik gösterimle esas olarak şu oksit oluşumunu temsil eder:

Fe + ½O₂ → FeO

ve bu reaksiyonun standart Gibbs serbest enerji değişiminin sıcaklıkla değişimini gösterir.

Çok önemli:
Ellingham diyagramındaki çizgiler genellikle indirgeme reaksiyonlarını değil, oksit oluşum reaksiyonlarını gösterir.

Biz oksit oluşum eğilimlerini karşılaştırarak indirgeme reaksiyonunun mümkün olup olmadığını belirleriz.

Adım 3 • İndirgenin Oksidasyon Çizgisiyle Karşılaştır

FeO’yu CO ile indirgemek istiyoruz:

FeO + CO → Fe + CO₂

CO'nun oksidasyon reaksiyonu:

CO + ½O₂ → CO₂

şeklindedir.

Daha önce öğrendiğimiz temel kuralı şimdi uygularız:

İndirgenin oksidasyon çizgisi, hedef metal oksidinin oluşum çizgisinin altında ise indirgeme termodinamik olarak elverişli olabilir.

CO'nun oksijene ilgisi o sıcaklıkta yeterince yüksekse, FeO'daki oksijen CO tarafından alınabilir:

FeO + CO → Fe + CO₂

Adım 4 • Çizgiler Arasındaki ΔG° Farkına Bak

Sadece bir çizginin diğerinin altında olup olmadığına bakmak nitel bir değerlendirme verir.

Çizgiler arasındaki düşey fark ise uygun stokiyometrik normalizasyon altında indirgeme reaksiyonunun standart Gibbs serbest enerji değişimini verir:

ΔG°_indirgeme = ΔG°_{indirgen oksidasyonu} − ΔG°_{metal oksit oluşumu}

Eğer:

ΔG°_indirgeme < 0

ise indirgeme standart koşullar için termodinamik olarak elverişlidir.

Sadece yöntemi göstermek amacıyla şu örnek değerleri düşünelim:

ΔG°_{FeO oluşumu} = −200 kJ

ΔG°_{R oksidasyonu} = −300 kJ

Bu durumda:

ΔG°_indirgeme = −300 − (−200) = −100 kJ

elde edilir.

ΔG° farkı daha negatif oldukça, standart koşullar altında indirgeme yönündeki termodinamik itici güç genel olarak daha büyük olur.

Adım 5 • “Çizgi Aşağıda, Tamamdır” Demiyoruz

Ellingham diyagramı esas olarak standart termodinamik uygunluğu değerlendirmemizi sağlar.

Gerçek fırında ise:

ΔG = ΔG° + RT ln Q

bağıntısı geçerlidir.

Bu nedenle gerçek proses için ayrıca şu faktörler değerlendirilmelidir:

Kısmi basınçlar: CO, CO₂, H₂ ve H₂O oranları nedir?
Aktiviteler: Metal, oksit ve cüruf içindeki bileşenlerin aktiviteleri 1 mi?
Kinetik: Reaksiyon yeterince hızlı mı?
Kütle transferi: İndirgen gaz reaksiyon yüzeyine ulaşabiliyor mu?
Isı transferi: Gerekli sıcaklık reaksiyon bölgesinde gerçekten sağlanıyor mu?
Proses koşulları: Fırın tipi, bekleme süresi, tane boyutu ve temas koşulları uygun mu?

Ellingham diyagramı önemli bir ilk filtre sağlar; ancak gerçek üretim koşullarının tamamını tek başına açıklamaz.

CO/CO₂ Oranı Neden Bu Kadar Önemlidir?

FeO'nun CO ile indirgenmesine tekrar bakalım:

FeO + CO ⇌ Fe + CO₂

Saf Fe ve FeO aktiviteleri yaklaşık 1 kabul edilirse:

Q ≈ pCO₂ / pCO

Buna göre gerçek Gibbs serbest enerji değişimi:

ΔG = ΔG° + RT ln (pCO₂ / pCO)

olur.

Aynı sıcaklıkta bile gaz bileşiminin değiştirilmesi reaksiyonun termodinamik eğilimini değiştirebilir.

CO fazla + CO₂ az
↓
pCO₂ / pCO küçülür
↓
Q küçülür
↓
ΔG daha negatif olabilir
↓
Daha indirgen atmosfer

Bu yüzden Ellingham diyagramından “termodinamik olarak mümkün” sonucunu aldıktan sonra fırının gerçek CO/CO₂ oranı mutlaka kontrol edilmelidir.

5 Adımda Ellingham Diyagramı Okuma

1. ADIM Sıcaklığı seç

2. ADIM Hedef oksit çizgisini bul

3. ADIM İndirgen çizgisiyle karşılaştır

4. ADIM ΔG° farkını değerlendir

5. ADIM Gerçek proses koşullarını kontrol et

Sıcaklık → Oksit → İndirgen → ΔG° farkı → Gerçek proses

Bu sıra Ellingham diyagramını ezberlemek yerine sistematik biçimde çözmeyi sağlar.

Son Uyarı • “Termodinamik Olarak Mümkün” Ne Demektir?

Ellingham diyagramında bir indirgenin çizgisinin hedef oksit çizgisinin altında bulunması:

ΔG°_indirgeme < 0

koşulunu gösterebilir.

Ancak bu sonuç:

“Reaksiyon kesinlikle, tamamen ve hızlı şekilde gerçekleşir.”

anlamına gelmez.

Ellingham: Termodinamik olarak olabilir mi?

Q ve aktiviteler: Gerçek atmosfer uygun mu?

Kinetik: Yeterince hızlı mı?

Taşınım: Isı ve madde yeterince hızlı taşınıyor mu?

Proses: Endüstriyel olarak uygulanabilir mi?