Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana logam seperti besi atau aluminium diekstrak dari bijihnya di alam? Diagram Ellingham adalah alat penting dalam metalurgi dan ilmu material yang membantu menjawab pertanyaan ini. Diperkenalkan oleh Harold Johann Thomas Ellingham pada tahun 1944, diagram ini memvisualisasikan stabilitas termodinamika senyawa, terutama oksida logam, pada berbagai suhu. Dengan memahami diagram ini, para ilmuwan dan insinyur dapat merancang proses ekstraksi dan pemurnian logam yang efisien.
Diagram Ellingham adalah grafik yang memplot perubahan energi bebas Gibbs standar (ΔG°) untuk pembentukan oksida logam terhadap suhu. Sumbu x menunjukkan suhu dalam Kelvin atau Celsius, sedangkan sumbu y menunjukkan ΔG° dalam kilojoule per mol (kJ/mol). Setiap garis pada diagram mewakili reaksi oksidasi logam tertentu, seperti 2Fe + O₂ → 2FeO, yang dinormalisasi untuk melibatkan satu mol oksigen (O₂). Normalisasi ini memungkinkan perbandingan langsung antar logam.
Diagram Ellingham didasarkan pada persamaan energi bebas Gibbs: ΔG = ΔH – TΔS, di mana ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu absolut, dan ΔS adalah perubahan entropi. Untuk sebagian besar reaksi oksidasi logam, ΔS bernilai negatif karena gas oksigen dikonsumsi, mengurangi entropi sistem. Akibatnya, garis pada diagram biasanya memiliki kemiringan positif, menunjukkan bahwa ΔG menjadi lebih negatif pada suhu yang lebih rendah, membuat pembentukan oksida lebih spontan. Namun, untuk reaksi seperti pembentukan karbon monoksida (C + 1/2 O₂ → CO), ΔS bisa positif, menghasilkan kemiringan negatif.
Dalam diagram Ellingham, posisi garis menunjukkan stabilitas oksida: garis yang lebih rendah menunjukkan ΔG° yang lebih negatif, sehingga oksida lebih stabil. Kemiringan garis berkaitan dengan perubahan entropi reaksi; kemiringan yang lebih curam menunjukkan ΔS negatif yang lebih besar. Titik perpotongan antar garis sangat penting karena menunjukkan suhu di mana dua oksida memiliki stabilitas yang sama. Misalnya, jika garis oksida logam berada di atas garis logam lain, logam yang lebih rendah dapat mereduksi oksida yang lebih tinggi pada suhu tersebut.
Bayangkan Anda sedang merancang proses untuk mengekstrak besi dari bijih hematit (Fe₂O₃). Bagaimana Anda memilih agen pereduksi yang tepat? Diagram Ellingham membantu dalam metalurgi ekstraktif dengan menunjukkan suhu di mana reduksi menjadi layak (ΔG° < 0). Sebagai contoh, karbon monoksida (CO) digunakan untuk mereduksi hematit pada suhu 600–700°C, seperti yang ditunjukkan oleh diagram. Demikian pula, diagram ini menunjukkan bahwa aluminium dapat mereduksi oksida kromium dalam proses termit karena ΔG° yang lebih negatif untuk reaksi reduksi. Selain ekstraksi logam, diagram ini juga digunakan dalam desain paduan dan ilmu korosi untuk mengevaluasi stabilitas lapisan oksida pelindung seperti Al₂O₃ atau Cr₂O₃ di lingkungan bersuhu tinggi.
Meskipun sangat berguna, diagram ini memiliki keterbatasan. Diagram ini hanya memberikan informasi termodinamika dan tidak mempertimbangkan faktor kinetik, seperti kecepatan reaksi, yang dapat memengaruhi kelayakan proses di dunia nyata. Selain itu, diagram ini mengasumsikan kondisi standar (tekanan 1 atm dan fase murni), yang mungkin tidak selalu mencerminkan kondisi industri, terutama untuk sistem kompleks seperti paduan.
Diagram Ellingham adalah alat yang sangat berharga dalam memahami termodinamika pembentukan dan reduksi oksida logam. Dengan memberikan representasi visual dari data termodinamika, diagram ini membantu dalam merancang proses metalurgi, mulai dari reduksi bijih hingga pengembangan paduan. Meskipun memiliki keterbatasan, seperti ketidakmampuan untuk memprediksi kinetika reaksi, diagram ini tetap menjadi landasan dalam ilmu material dan teknik. Dengan mempelajari diagram ini, kita dapat menghargai bagaimana prinsip termodinamika diterapkan untuk memecahkan tantangan dunia nyata dalam produksi logam.
REFERENSI:
Ellingham, H. J. T. (1944). “Reducibility of oxides and sulphides in metallurgical processes”. J. Soc. Chem. Ind., 63(5), 125. doi: 10.1002/jctb.5000630501.
Atkins, P., & de Paula, J. (2006). Physical Chemistry: Thermodynamics And Kinetics (8th ed.). W.H. Freeman, p. 215.
DoITPoMS. (n.d.). Ellingham Diagrams. Diakses dari http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/index.php
ScienceDirect. (2023). Ellingham diagram: A new look at an old tool. Corrosion Science, 217, 111113. doi: 10.1016/j.corsci.2023.111113.
Masakatsu. (2014). Chapter 3.3 Diagram Ellingham. Treatise on Process Metallurgy. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096986-2.00032-1
