Metalurgi Ekstraksi - 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]:

ΔG = ΔH - TΔH

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 adalah 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  (padatan atau cairan). Ketika terjadi reaksi 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:

2Ni + O₂ => 2NiO

Pada persamaan reaksi C + O₂ => CO₂, 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 jika perubahan entropinya bernilai positif. Contoh reaksi yang mempunyai gradien garis negatif adalah

2C + O₂ => 2CO

Pada reaksi tersebut terjadi reaksi antara fasa padat dengan gas kemudian menghasilkan 2 mol fasa 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 2Mg + O₂ => 2MgO terletak dibawah garis Ti + O₂ => TiO₂, 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 => 2CO 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 1225⁰C.

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.

Silahkan Download Artikel di atas Dalam Bentuk:

DOC | PDF

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.

[4] http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php