Thermodynamik der Werkstoffe

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.

  1. A−320 kJ/mol; sie läuft in der Richtung ab, in der Aluminium Cr₂O₃ reduziert
  2. B+320 kJ/mol; sie läuft entgegen der Gleichung ab, sodass Chrom Al₂O₃ reduziert
  3. C−1380 kJ/mol; sie läuft in der Richtung ab, in der Aluminium Cr₂O₃ reduziert
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Lösung: A. −320 kJ/mol; sie läuft in der Richtung ab, in der Aluminium Cr₂O₃ reduziert

Die gesuchte Reaktion ist die Gleichung der Al₂O₃-Bildung minus die Gleichung der Cr₂O₃-Bildung, wobei O₂ herausfällt. ΔG° = (−850) − (−530) = −320 kJ/mol ist negativ, die Reaktion läuft also in der Richtung ab, in der Aluminium Cr₂O₃ reduziert und metallisches Chrom entsteht. Das entspricht der Lage der Al₂O₃-Geraden unterhalb der Cr₂O₃-Geraden im Ellingham-Diagramm und ist das Prinzip der Herstellung von metallischem Chrom durch Aluminothermie. +320 kJ/mol entsteht, wenn in umgekehrter Reihenfolge subtrahiert und damit das Vorzeichen falsch wird; da Al₂O₃ stabiler ist, reduziert Chrom Al₂O₃ nicht. −1380 kJ/mol entsteht, wenn die beiden ΔG°-Werte addiert werden.

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  1. 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.
  2. 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.
  3. Welche Aussage über die Aktivität einer Komponente in einer Lösung (Flüssigkeit oder Mischkristall) trifft zu?
  4. 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.
  5. Welche Aussage über die freie Mischungsenthalpie einer idealen Lösung (eines idealen Mischkristalls), ΔG_mix = RT[x ln x + (1 − x) ln(1 − x)], trifft zu? x ist der Stoffmengenanteil einer Komponente.