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PROGRAMA DE LA ASIGNATURA
Curso académico 2008/09
Identificación y características de la asignatura
Denominación
Créditos (T+P)
Titulación
Centro
Curso
Carácter
Descriptores
(BOE)
Profesor/es
TERMODINÁMICA Y CINÉTICA
QUÍMICA APLICADAS
6T + 3P
INGENIERÍA QUÍMICA
Código
FACULTAD DE CIENCIAS
TERCERO
Temporalidad
ANUAL
TRONCAL
Aplicaciones del equilibrio químico. Estimación de propiedades.
Cinética de las reacciones homogéneas y heterogéneas.
Catálisis
Nombre
Despacho
Correo-e
JOSÉ
MARÍA Edificio
J. [email protected]
ENCINAR MARTÍN Luís Sotelo
Área de
conocimiento
INGENIERÍA QUÍMICA
Departamento
INGENIERÍA QUÍMICA Y QUÍMICA FÍSICA
Profesor
coordinador (si
hay más de uno)
105542
Página web
Objetivos y/o competencias
Aplicar los tres principios de la termodinámica a la resolución de problemas
relacionados con la determinación de las necesidades caloríficas en
instalaciones y reactores químicos.
Aplicar el equilibrio químico a sistemas y determinar las propiedades
termodinámicas implicadas.
Establecer las ecuaciones cinéticas de diferentes sistemas de reacción y
determinar los parámetros cinéticos implícitos en las mismas, mediante
aplicaciones de los métodos diferenciales e integrales de análisis de datos.
Conocer el fenómeno de la catálisis homogénea, enzimática y heterogénea,
así como las propiedades físicas, químicas y catalíticas de un catalizador
sólido, y la forma de evaluarlas.
Tener un conocimiento general de los distintos modelos que explican las
reacciones fluido-sólido y de las etapas que pueden controlar el mecanismo
global.
Modelar problemas relativos a termodinámica y cinética química y aprender a
resolverlos.
Temas y contenidos
(especificar prácticas, teoría y seminarios, y actividades en general, en su caso)
PROGRAMA TERMODINÁMICA
Capítulo 1. INTRODUCCIÓN
1. Introducción
2. Magnitudes fundamentales
3. Magnitudes secundarias
Capítulo 2. LA PRIMERA LEY Y OTROS CONCEPTOS BÁSICOS
1. Introducción
2. Formulación de la primera ley de la termodinámica
3. El estado termodinámico y las funciones de estado
4. Entalpía
5. Equilibrio y regla de las fases
6. Procesos reversibles
7. Capacidad calorífica y calor específico
Capítulo 3. PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS DE FLUIDOS PUROS
1. Comportamiento PVT de las sustancias puras
2. Ecuación del virial
3. Gas ideal
3.1 Proceso a volumen constante (isométrico)
3.2 Proceso a presión constante (isobárico)
3.3 Proceso a temperatura constante (isotérmico)
3.4 Proceso adiabático
3.5 Proceso politrópico
4. Aplicaciones de la ecuación virial
5. Otras ecuaciones
Capítulo 4. EFECTOS TÉRMICOS
1. Introducción
2. Capacidades térmicas de los gases en función de la temperatura
3. Capacidades térmicas de sólidos y líquidos
4. Efectos térmicos que acompañan a cambios de fase de sustancias puras
5. Calor estándar de reacción
6. Calor estándar de formación
7. Calor estándar de combustión
8. Efecto de la temperatura en el calor estándar de reacción
Capítulo 5. LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
1. Introducción
2. Enunciados de la segunda ley
3. La máquina térmica
4. Escala termodinámica de la temperatura
5. Concepto de entropía
6. Limitaciones de la segunda ley y procesos reales
7. Cambios de entropía e irreversibilidad
8. Tercera ley de la termodinámica
Capítulo 6. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE LOS FLUIDOS
1. Introducción
2. Relaciones entre las propiedades termodinámicas
3. Propiedades termodinámicas de un sistema de una sola fase
4. Sistemas de dos fases
5. Tipos de diagramas termodinámicos
6. Correlaciones generalizadas de las propiedades termodinámicas de los gases
Capítulo 7. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE MEZCLAS HOMOGÉNEAS
1. Introducción
2. Relaciones de propiedades para sistemas de composición variable
3. Propiedades molares parciales
4. Fugacidad y coeficiente de fugacidad
5. Fugacidades en soluciones ideales. Estados de referencia o estándar
6. Cambios de propiedades en mezclas. Actividad
7. Propiedades en exceso. Coeficientes de actividad
8. Mezclas de gases
Capítulo 8. EQUILIBRIO DE FASES
1. Introducción
2. Criterios de equilibrio
3. Regla de las fases. Teorema de Duhem
4. Equilibrio líquido-vapor. El problema fundamental. Idealizaciones
5. Diagramas de fases de sistemas miscibles
6. Cálculos de equilibrio vapor-líquido para sistemas miscibles
7. Coeficientes de actividad a partir de datos experimentales
8. Ecuación de Gibbs-Duhem. Ecuación de coexistencia. Estabilidad
9. Sistemas en fase líquida de miscibilidad limitada
Capítulo 9. EQUILIBRIO EN REACCIONES QUÍMICAS
1. Introducción
2. Coordenada de reacción
3. Aplicación del criterio de equilibrio a reacciones químicas
4. Constante de equilibrio y cambio de la energía libre de Gibbs estándar
5. Efecto de la temperatura sobre la constante de equilibrio
6. Evaluación de las constantes de equilibrio
7. Relaciones entre la constante de equilibrio y la composición
8. Cálculo de conversiones de equilibrio para reacciones simples
9. Regla de las fases y teorema de Duhem para sistemas reactivos
10. Equilibrio en reacciones múltiples
PROGRAMA CINÉTICA QUÍMICA
Capítulo 1. ELEMENTOS DE CINÉTICA QUÍMICA
1. La reacción química
2. Velocidad de reacción
3. Aspectos termodinámicos
3.1 El equilibrio químico
3.2 La conversión de equilibrio
4. La ecuación cinética
4.1 El orden de reacción
4.2 Reacciones elementales y no elementales
4.3 Influencia de la temperatura
5. La velocidad de reacción a partir de otras teorías cinéticas
5.1 Teoría del choque
5.2 Teoría del complejo activado
Capítulo 2. ECUACIONES CINÉTICAS ELEMENTALES
1. El mecanismo de la reacción
1.1 Diagramas de energía
1.2 Concepto de etapa controlante
1.3 Molecularidad y orden de reacción
2. Cinética de las reacciones elementales
2.1 Reacciones bimoleculares
2.2 Reacciones termoleculares
2.3 Reacciones unimoleculares
3. Evolución de la concentración en reacciones elementales
3.1 Reacciones de primer orden
3.2 Reacciones de orden n
3.3 Reacciones con más de un reactivo
3.4 Orden de reacción aparente
4. Consideraciones finales
Capítulo 3. REACCIONES NO ELEMENTALES
1. Introducción
1.1 Reacciones no elementales
1.2 Selectividad
2. Tipos de mecanismos de reacción
2.1 Mecanismos con varias etapas en serie
2.2 Mecanismos con reacciones en paralelo
2.3 Reacciones autocatalíticas
3. Métodos simplificados para la integración de ecuaciones cinéticas
3.1 Hipótesis de estado estacionario
3.2 Hipótesis de etapas en equilibrio
4. Mecanismos de reacción en cadena
4.1 Mecanismos en reacciones de polimerización
4.2 Otras etapas en los mecanismos en cadena
5. Determinación del mecanismo de reacción
Capítulo 4. MÉTODOS DIFERENCIALES PARA EL ANÁLISIS DE DATOS
1. Obtención de datos experimentales
2. Los métodos diferenciales
3. Reacciones en las que interviene un único reactivo
3.1 Método del tanteo
3.2 Método de regresión lineal
3.3 Método de regresión no lineal
4. Reacciones en las que interviene más de un reactivo
4.1 Método del exceso
4.2 Método de las cantidades estequiométricas
5. Reacciones reversibles
6. Sistemas de reacciones
6.1 Reacciones en serie
6.2 Reacciones en paralelo
6.3 Sistemas complejos
7. Estimación conjunta de todos los parámetros
8. Otros reactores para la obtención de datos cinéticos
8.1 El reactor de mezcla perfecta
8.2 El reactor de flujo en pistón
Capítulo 5. MÉTODOS INTEGRALES PARA EL ANÁLISIS DE DATOS
1. Introducción
2. Reacciones en las que interviene un único reactivo
2.1 Método de regresión lineal
2.2 Método de los tiempos de vida fraccional. Tiempo de vida medio
2.3 Método de regresión no lineal
3. Reacciones en las que interviene más de un reactivo
3.1 Integración de las ecuaciones
3.2 Método del exceso
3.3 Método de las cantidades estequiométricas
4. Reacciones reversibles
5. Sistemas de reacciones
5.1 Reacciones en serie
5.2 Reacciones en paralelo
5.3 Sistemas complejos
6. Reacciones con cambio de volumen
6.1 Reactor discontinuo
6.2 Reactor continuo de mezcla perfecta
6.3 Reactor continuo de flujo en pistón
Capítulo 6. REACCIONES EN FASE LÍQUIDA Y EN DISOLUCIÓN
1. Los sistemas líquidos
2. Los mecanismos de las reacciones en disolución
3. La velocidad de reacción en reacciones en fase líquida
3.1 Las constantes de equilibrio en fase líquida y en fase gas
3.2 Efecto de la presencia del disolvente sobre la velocidad de reacción
3.3 Desviaciones del comportamiento ideal de la disolución
3.4 Efecto de la polaridad del disolvente
3.5 Efectos salinos de la disolución
3.6 Efecto de los sustituyentes
3.7 Efecto de la presión
4. Consideraciones finales
Capítulo 7. CATÁLISIS HOMOGÉNEA
1. El fenómeno de la catálisis
2. Funciones del catalizador
3. Mecanismos y ecuaciones cinéticas de reacciones catalizadas
4. Catálisis por ácidos y bases
4.1 Catálisis específica
4.2 Catálisis general
5. Otras reacciones catalíticas homogéneas
Capítulo 8. LOS CATALIZADORES SÓLIDOS
1. Introducción
2. Estructura del catalizador sólido
3. Los materiales catalíticos
4. Las propiedades del catalizador sólido
4.1 Propiedades físicas
4.2 Propiedades químicas
4.3 Propiedades catalíticas
5. Preparación de catalizadores sólidos
5.1 Preparación de óxidos
5.2 Catalizadores soportados
5.3 Perfiles del componente activo en el soporte
5.4 Activación
5.5 Extracción de un componente
5.6 Otros métodos de preparación
6. Catalizadores monolíticos
6.1 Base monolítica
6.2 Soporte catalítico
6.3 Fase activa
7. Técnicas de caracterización de los catalizadores sólidos
7.1 Estructura física
7.2 Estructura de la superficie catalítica
7.3 Otras técnicas de caracterización de catalizadores
Capítulo 9. MECANISMOS DE REACCIONES SOBRE CATALIZADORES SÓLIDOS
1. Reacciones químicas sobre catalizadores sólidos
1.1 Etapas en el mecanismo de la reacción catalítica heterogénea.
1.2 La ecuación cinética en reacciones catalizadas por sólidos
2. Las etapas químicas
2.1 Leyes cinéticas y de equilibrio en las etapas químicas
2.2 Ecuación cinética con control de la reacción química
2.3 Control de la etapa de adsorción
2.4 Control de la etapa de desorción
2.5 Efecto de la presencia de inertes
2.6 Efecto del número de centros activos considerados
2.7 Estructura de las ecuaciones cinéticas en catálisis heterogénea
3. Las etapas físicas
4. Gradientes externos de concentración
4.1 Gradientes externos de temperatura
4.2 Comprobación experimental del control de la difusión externa
5. Gradientes internos de concentración
5.1 Factor de eficacia
5.2 Gradientes internos de temperatura
5.3 Determinación experimental del factor de eficacia
5.4 Análisis de datos cinéticos en presencia de gradientes internos
Capítulo 10. REACCIONES ENZIMÁTICAS
1. Introducción
2. Cinética enzimática homogénea
2.1 Cinética de Michaelis-Menten
2.2 Determinación de las constantes cinéticas
2.3 Cinética de la desactivación enzimática
3. Cinética en cultivos de células biológicas
3.1 Cinética del crecimiento de células
3.2 Cinética de la muerte de células
4. Cinética de reacciones enzimáticas heterogéneas
4.1 Gradientes de concentración en biocatalizadores
Criterios de evaluación
De acuerdo con el artículo 2º, punto 2, de la normativa sobre reclamación de exámenes de la Universidad
de Extremadura aprobada en Junta de Gobierno de 12/5/1999 (DOE de 20/5/1999), se indican a
continuación los criterios generales de evaluación de los exámenes finales de la asignatura Termodinámica
y Cinética Química Aplicadas aplicables a las convocatorias de junio, septiembre y febrero:
1. El examen final constará de dos partes: TEORÍA Y PROBLEMAS
2. La parte teórica consistirá en cuestiones relativas al temario que constituye el programa de la asignatura.
3. La parte de problemas constará de problemas que habrán de resolverse numéricamente. El grado de
dificultad será similar a los impartidos durante el curso.
4. El examen se puntuará sobre una base de 10 puntos. El valor máximo de la parte teórica será de 5
puntos y el de la parte de problemas de 5 puntos.
5. Para aprobar la asignatura será necesario conseguir 5 puntos entre teoría y problemas.
6. La parte correspondiente a CINÉTICA QUÍMICA tendrá un valor del 60% de la nota final y la parte
correspondiente a TERMODINÄMICA QUÏMICA del 40%
7. La duración del examen estará comprendida entre 3 y 4 horas.
NOTA: En el examen solo se suministrará papel. Los alumnos deben venir provistos de calculadora, reglas,
papel milimetrado, bolígrafos y cualquier otro útil de dibujo que consideren necesario.
Bibliografía
BIBLIOGRAFÍA (TERMODINÁMICA)
1. SMITH, J.M.; VAN NESS, H.C. y ABBOTT, M.M. “Introducción a la termodinámica en ingeniería química”
McGraw Hill de México; México. Traducción de la 7ª Ed. en inglés. 2007
2. PRAUSNITZ, J.M.; LICHTENHALER, R.N. y GOMES de ACEVEDO, E. “Molecular Thermodynamics
of Fluid-Phase Equilibria”. Prentice-Hall, Inc.; Englewood Clifffs, NJ. 2 Ed. 1986
3. WALAS, S.M. “Phase Equilibria in Chemical Engineering” Butterworth Publishers; Boston, M.A. 1985
4. REID, R.C.; PRAUSNITZ, J.M. y POLING, B.E. “The Properties of Gases and Liquids” McGraw Hill
Book Co.; New York, NY. 4 Ed 1987
5. HOUGEN, O.A.; WATSON, K.M. Y RAGATZ, R.A. Principios de los Procesos Químicos. Tomo II.
Termodinámica.” Reverté; Barcelona. 2ª Ed. 1978
6. JUAN A. RODRÍGUEZ RENUNCIO, JUAN J. RUIZ SÁNCHEZ Y JOSE S. URIETA NAVARRO.
Termodinámica Química. Editorial Síntesis, S.A. Madrid, 1998
BIBLIOGRAFÍA (CINÉTICA)
1. GONZÁLEZ VELASCO, J.R. ET AL. "Cinética Química Aplicada" Editorial Síntesis. Madrid, 1999
2. HILL, C.G., Jr. "An Introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design" Ed. John
Wiley. New York, 1977
3. LEVENSPIEL, O. "Ingeniería de las Reacciones Químicas" Ed. Reverté. Barcelona 1974
4. LEVENSPIEL, O. " El omnilibro de los Reactores Químicos" Ed. Reverté. Barcelona, 1986
5. LEVENSPIEL, O. "El minilibro de los Reactores Químicos" Ed. Reverté. Barcelona 1986
6. LEVENSPIEL, O. “Chemical Reaction Engineering” 3ª Ed. John Wiley & Son. USA, 1999
7. SMITH, J.M. "Ingeniería de la Cinética Química". Ed. CECSA. México, 1979
8. CARBERRY, J.J. "Ingeniería de las reacciones químicas y catalíticas" Ed. Géminis. Buenos Aires,
1980
9. MORE, J.W. AND PEARSON, R.G. "Kinetics and Mechanism. A Study of Homogeneous Chemical
Reactions" Ed. John Wiley & Sons. New York, 1981
Tutorías
Horario
De 17h a 19h
Despacho (Edif. José Luís
Sotelo)
De 17h a 19h
Despacho (Edif. José Luís
Sotelo)
Lunes
Martes
Lugar
De 17h a 19h
Miércoles
Jueves
Viernes
Despacho (Edif. José Luís
Sotelo)