Diagramme d'Ellingham

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En chimie et en métallurgie, le diagramme d'Ellingham, ou diagramme d'Ellingham-Richardson, permet de prévoir les équilibres entre un métal et ses oxydes en fonction de la température et de la pression, ainsi que de connaître les réactions d'oxydoréduction thermodynamiquement possibles entre deux espèces. Ces diagrammes ont été pour la première fois construit par Harold Ellingham en 1944.

Les diagrammes d'Ellingham sont utilisés pour prévoir les températures d'équilibres pour des métaux, leurs oxydes et l'oxygène et par extension avec des sulfures, de l'azote ainsi que d'autres éléments chimiques. Les analyses des diagrammes d'Ellingham sont uniquement thermodynamique, les vitesses de réaction n'entrant pas en compte. Des réactions qui peuvent avoir lieu selon ces diagrammes peuvent être également très lentes.

Thermodynamique

Principe du diagramme d'Ellingham-Richardson

Le diagramme d'Ellingham représente l'enthalpie libre standard de formation d'un oxyde à partir d'un métal ou d'un oxyde inférieur en fonction de la température. L'équation bilan est ramenée à la consommation d'une mole de dioxygène, même si d'autres coefficients sont fractionnaires. Pour la formation de l'oxyde du chrome (III) par exemple, les données réfèrent à l'équation

${4 \over 3} Cr_{(s)} + O_{2(g)} \rightarrow {2 \over 3} Cr_2O_3{(s)}$

Le diagramme utilise la seconde loi de la thermodynamique, $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ et l'approximation d'Ellingham.

Au-dessus de la droite d'Ellingham, il y a prédominance de l'oxydant, et au-dessous, du réducteur ; l'affinité chimique de la réaction étant nulle sur la droite elle-même.

Lorsqu'il y a plusieurs métaux, celui dont la droite d'Ellingham est au-dessous réduit celui qui est au-dessus : on utilise souvent le coke, une des rares espèces dont la pente dans le diagramme est négative (réducteur universel), et qui est peu coûteux, pour réduire la majorité des métaux.

On peut aussi tracer des abaques sur le diagramme d'Ellingham, permettant d'étudier le rôle de la pression en dioxygène sur la réaction en fonction de la température ; et de noter que dans ces conditions, la majorité des métaux sont attaqués à pression et température ambiante.

Utilisation des diagrammes d'Ellingham

Le principal domaine d'application des diagrammes d'Ellingham est la métallurgie extractive où ils aident à choisir le bon réducteur pour extraire un minerai. Ils permettent également d'aider à la purification des métaux.

Réductions des oxydes de fer

Pour réduire des oxydes de fer, on utilise dans l'industrie du monoxyde de carbone sous forme gazeuse. L'oxydant conjugué du monoxyde de carbone est le dioxyde de carbone.

Les réactions suivantes se produisent entre le monoxyde de carbone et les oxydes du fer :

$2 FeO + 2 CO (g) = 2 Fe + 2 CO_2$

$2 Fe_3O_4 + 2 CO (g) = 6 FeO + 2 CO_2$

${1 \over 2} FeO + 2 CO (g) = {3 \over 2} Fe + 2 CO_2$

$6 Fe_2O_3 + 2 CO (g) = 4 Fe_3O_4 + 2 CO_2$

Ces équations permettent de tracer le diagramme d'Ellingham du fer et de ses oxydes et de trouver le meilleur moyen d'extraire du fer à partir des oxydes que l'on a extrait du sol. Dans les hauts-fourneaux industriels on récupère en sortie du processus de la fonte qui est un alliage de fer et de carbone.