什麼是Ellingham圖
把氧化物等的標準生成吉布斯自由能變化統一成每1 mol O₂，對溫度作圖的圖。直線越低的金屬，形成的氧化物越穩定。
日文名稱: エリンガム図
「Ellingham圖」出現在1領域的4道練習題中（材料熱力學等）。
這個名詞所屬的領域: 材料熱力學
圖的畫法與直線的斜率
Ellingham圖是針對 2M + O₂ → 2MO 這類氧化物的生成反應，把標準吉布斯自由能變化ΔG°統一成每1 mol O₂，對溫度作圖而成。由於 ΔG° = ΔH° − TΔS°，且ΔH°與ΔS°幾乎不隨溫度改變，各反應成為直線，斜率為 −ΔS°。金屬氧化時氣體O₂被納入固體，ΔS°為負，因此幾乎所有直線都呈右上升，氧化物越高溫越不穩定。在金屬或氧化物熔化、沸騰的溫度，ΔS°會改變，直線因而出現轉折。
氧化物的穩定性與還原
在相同溫度下，直線越低ΔG°越負，該氧化物越穩定。2條直線的縱向差距，等於下方直線的金屬還原上方直線之氧化物的反應ΔG°，因此像Al、Mg、Ca這樣位於下方的金屬，能還原許多氧化物。碳的 2C + O₂ → 2CO 直線，由於氣體分子數增加、ΔS°為正而呈右下降，溫度越高就落到越多金屬氧化物直線的下方。高爐能以焦炭還原鐵礦石，就是這個緣故。在直線越過 ΔG° = 0 的溫度以上，氧化物即使在1 bar的氧氣中也會分解。
氧分壓刻度與使用方法
平衡時 ΔG° = RT ln pO₂，因此把某溫度下直線上的點，與0 K時 ΔG° = 0 的點連起來並延長，就能讀出該平衡氧分壓。許多Ellingham圖附有為此而設的氧分壓刻度，也有附H₂/H₂O與CO/CO₂比刻度的。可用來估計在熱處理氣氛中防止鋼氧化的條件、氧化物在真空中是否分解，以及不鏽鋼中Cr被選擇性氧化的條件等。不過圖所表示的是純物質之間的平衡，反應的快慢與合金中活性的差異需要另外考慮。
練習Ellingham圖的題目
在Ellingham圖中，大多數金屬的氧化反應 2M(s) + O₂(g) → 2MO(s) 的ΔG°直線，溫度越高ΔG°越大（越接近0），呈右上升，其主要原因為下列何者？
- A氣體O₂被消耗而成為固體氧化物，因此ΔS°為負
- B溫度升高時，氧化反應放出的熱ΔH°變大
- C溫度升高時，金屬中的擴散變快，氧化速率增加
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正確答案：A. 氣體O₂被消耗而成為固體氧化物，因此ΔS°為負
Ellingham圖是把每1 mol O₂的氧化物生成 ΔG° = ΔH° − TΔS° 對溫度作圖，若ΔH°與ΔS°大致一定，直線的斜率就是 −ΔS°。金屬氧化時，熵很大的氣體O₂被納入固體中，因此ΔS°為約 −0.2 kJ/(mol·K) 左右的負值，斜率為正（右上升）。也就是說，氧化物在越高溫越不穩定。ΔH°幾乎不隨溫度改變，只決定直線的高低。擴散與氧化的快慢屬於反應動力學，與表示平衡ΔG°的Ellingham圖的斜率無關。在金屬或氧化物熔化、沸騰的溫度，ΔS°會改變，直線因而出現轉折。
關於Ellingham圖中碳的反應 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g) 的直線，下列敘述何者正確？
- A與 C + O₂ → CO₂ 相同，ΔS°幾乎為0，因此呈水平
- B與金屬的氧化相同，ΔS°為負，因此呈右上升，溫度越高碳的還原力越弱
- C氣體由1 mol增加為2 mol，ΔS°為正，因此呈右下降，溫度越高碳的還原力越強
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正確答案：C. 氣體由1 mol增加為2 mol，ΔS°為正，因此呈右下降，溫度越高碳的還原力越強
在 2C + O₂ → 2CO 中，氣體由1 mol的O₂增加為2 mol的CO，因此ΔS°為正（約 +0.18 kJ/(mol·K)），ΔG°的直線呈右下降。所以溫度越高，CO的直線就落到越多金屬氧化物的直線下方，碳就能還原這些氧化物。高爐能以焦炭還原鐵礦石，就是這個緣故。在 C + O₂ → CO₂ 中，氣體分子數不變，ΔS°幾乎為0，因此幾乎呈水平的是這個反應。呈右上升的，是氣體O₂被納入固體的金屬氧化。
常見問題
在Ellingham圖中位於下方的金屬，一定能還原上方的氧化物嗎？
在熱力學上該方向反應的ΔG°為負，所以是可能的，但實際是否進行，取決於反應速率、生成物的移除與活性。固體之間的反應若接觸不良就不易進行，生成的氧化物覆蓋表面時也可能停止。也有像鋁熱反應那樣藉由大量放熱一口氣進行的例子。
Ellingham圖為什麼以每1 mol O₂來作圖？
因為統一氧的量後，把2個生成反應相減時O₂會消去，直線的縱向差距就直接成為氧化還原反應的ΔG°。若以每1 mol氧化物作圖，氧的數目會因化學式而不同，無法直接比較。硫化物與氮化物的圖也依同樣的想法，以每1 mol S₂或N₂作圖。
從Ellingham圖能知道氧化的快慢嗎？
不能。Ellingham圖是表示平衡ΔG°的圖，只顯示氧化物是否會生成的熱力學傾向。鋁的ΔG°雖然很負卻不易腐蝕，是因為緻密的氧化膜阻礙了擴散，快慢由膜中的擴散等動力學決定。
解析中的「Ellingham圖」
Ellingham圖是把每1 mol O₂的氧化物生成 ΔG° = ΔH° − TΔS° 對溫度作圖，若ΔH°與ΔS°大致一定，直線的斜率就是 −ΔS°。
在Ellingham圖中，大多數金屬的氧化反應 2M(s) + O₂(g) → 2MO(s) 的ΔG°直線，溫度越高Δ…這對應於Ellingham圖中Al₂O₃的直線位於Cr₂O₃直線的下方，也是以鋁熱法製造金屬鉻的原理。
設在1000℃下，4/3 Al + O₂ → 2/3 Al₂O₃ 的ΔG°為 −850 kJ/mol，4/3 Cr +…
出現「Ellingham圖」的題目（4題）
- 在Ellingham圖中，大多數金屬的氧化反應 2M(s) + O₂(g) → 2MO(s) 的ΔG°直線，溫度越高ΔG°越大（越接近0），呈右上升，其主要原因為下列何者？
- 關於Ellingham圖中碳的反應 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g) 的直線，下列敘述何者正確？
- 在Ellingham圖中，所有氧化物的生成反應都統一成每1 mol O₂的ΔG°來作圖。這樣做的主要優點為下列何者？
- 設在1000℃下，4/3 Al + O₂ → 2/3 Al₂O₃ 的ΔG°為 −850 kJ/mol，4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃ 的ΔG°為 −530 kJ/mol（都是每1 mol O₂）。2/3 Cr₂O₃ + 4/3 Al → 2/3 Al₂O₃ + 4/3 Cr 的ΔG°與反應進行方向的組合，下列何者正確？所有物質都視為純物質。