Thermodynamik der Werkstoffe

Im Ellingham-Diagramm werden die Bildungsreaktionen aller Oxide einheitlich mit ΔG° je 1 mol O₂ dargestellt. Was ist der Hauptvorteil dieser Darstellung?

  1. AΔG° wird für alle Oxide positiv, sodass alle Geraden oberhalb der Temperaturachse liegen und sich gut ablesen lassen
  2. BDer senkrechte Abstand zweier Geraden ist direkt gleich dem ΔG° der Reaktion, bei der ein Metall das Oxid des anderen reduziert
  3. CDas ΔS°, das die Steigung bestimmt, wird für alle Oxide gleich, sodass sich die Geraden als Parallelen vergleichen lassen
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Lösung: B. Der senkrechte Abstand zweier Geraden ist direkt gleich dem ΔG° der Reaktion, bei der ein Metall das Oxid des anderen reduziert

Bei einheitlichem Bezug auf 1 mol O₂ fällt O₂ heraus, wenn man etwa die Differenz von 4/3 Al + O₂ → 2/3 Al₂O₃ und 2Fe + O₂ → 2FeO bildet, und das ΔG° von 2FeO + 4/3 Al → 2Fe + 2/3 Al₂O₃ lässt sich direkt als senkrechter Abstand der beiden Geraden ablesen. Das Metall der unteren Geraden kann bei dieser Temperatur das Oxid der oberen Geraden reduzieren. Das ΔG° der Oxidbildung ist fast immer negativ, und sein Vorzeichen hängt nicht von der Wahl des Bezugs ab. Die Steigung wird durch das ΔS° der jeweiligen Reaktion bestimmt und wird auch bei Bezug auf 1 mol O₂ nicht gleich. Bei der Oxidation von Metallen wird jeweils 1 mol gasförmiger O₂ verbraucht, weshalb die Steigungen lediglich ähnlich sind.

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  1. Bei 1000 °C seien ΔG° von 4/3 Al + O₂ → 2/3 Al₂O₃ gleich −850 kJ/mol und ΔG° von 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃ gleich −530 kJ/mol (beide je 1 mol O₂). Welche Kombination aus dem ΔG° der Reaktion 2/3 Cr₂O₃ + 4/3 Al → 2/3 Al₂O₃ + 4/3 Cr und der Richtung, in der sie abläuft, ist richtig? Alle Stoffe seien rein.
  2. Bei 1000 K beträgt ΔG° von 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s) −298 kJ/mol. Welcher Wert kommt dem Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, bei dem Ni und NiO koexistieren, am nächsten? Ni und NiO seien reine Festkörper (Aktivität 1), der Standarddruck 1 bar, die Gaskonstante 8,314 J/(mol·K) und ln 10 = 2,303.
  3. Bei 1000 K seien ΔG° von 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) gleich −385 kJ/mol und ΔG° von 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s) gleich −298 kJ/mol. Nickel wird in einem H₂–H₂O-Gasgemisch geglüht. Welcher Wert kommt dem Partialdruckverhältnis pH₂O/pH₂ am nächsten, bei dem Ni und NiO im Gleichgewicht stehen (ist das Verhältnis kleiner, wird Ni nicht oxidiert)? Die Gaskonstante sei 8,314 J/(mol·K), Ni und NiO seien reine Festkörper.
  4. Welche Aussage über die Aktivität einer Komponente in einer Lösung (Flüssigkeit oder Mischkristall) trifft zu?
  5. Bei einer bestimmten Temperatur sei p₀ der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, bei dem reines Cr und Cr₂O₃ koexistieren. Das Wievielfache von p₀ beträgt bei derselben Temperatur etwa der Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck, bei dem eine Legierung mit der Cr-Aktivität 0,10 und reines Cr₂O₃ koexistieren? Die Reaktion sei 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃.