Equilibrio y Cinética es una asignatura teórico-práctica precedente al curso de Termodinámica, cuyo contenido temático proporciona a los alumnos las herramientas necesarias para realizar el análisis de sistemas termodinámicos (en fase homogénea y heterogénea) en los que se establecen las condiciones de equilibrio termodinámico (físico y químico), principalmente desde un punto de vista cualitativo. Asímismo, se estudian los fundamentos que gobiernan la evolución de los procesos químicos a través del tiempo, y los factores que la afectan.
Es un curso de carácter multidisciplinario para los alumnos que estudian las ciencias físico-matemáticas y químico-biológicas, de las cinco carreras que se imparten en la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México.
-
Termodinámica
- Nociones de Estructura de la Materia
- Cálculo diferencial e integral de una variable
Programa del curso de Equilibrio y Cinética
UNIDAD 0. FUNDAMENTOS DEL CURSO DE TERMODINÁMICA.
0.1. Las 4 Leyes de la Termodinámica.
0.1.1. Ley Cero de la Termodinámica y concepto de temperatura: condición de equilibrio térmico.
0.1.2. Primera Ley de la Termodinámica y ecuación energética.
0.1.3. Segunda Ley de la Termodinámica e interpretación macroscópica de la entropía: criterio de espontaneidad y equilibrio, criterio de reversibilidad de un proceso.
0.1.4. Tercera Ley de la Termodinámica e interpretación microscópica de la entropía.
0.2. Conceptos de energía interna, entalpía, entropía, energía de Gibbs y energía de Helmholtz.
0.3. Variaciones de las energías de Gibbs y Helmholtz como criterios de espontaneidad y equilibrio y como el trabajo máximo distinto al de expansión-compresión que puede realizar un sistema termodinámico en un proceso reversible y cuasiestático.
UNIDAD 1. EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS DE UN COMPONENTE.
1.1. Diagramas de fases de un componente. Criterio de equilibrios entre fases.
1.2. La regla de las fases de Gibbs y su aplicación. Condición de equilibrio termodinámico en sistemas de un componente.
1.3. Construcción de diagramas de fase en coordenadas P vs T y µ vs T. Efecto de la temperatura y la presión en el potencial químico de una sustancia pura.
1.4. Deducción de la ecuación de Clapeyron.
1.5. Ecuación de Clausius-Clapeyron aplicada a los equilibrios líquido-vapor y sólido-vapor. Obtención y aplicación de la ecuación de Antoine con dos y tres constantes para los equilibrios líquido-vapor y sólido-vapor.
1.6. Ecuación integrada de Clapeyron aplicada a los equilibrios sólido-líquido y sólido-sólido.
UNIDAD 2. EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS DE DOS COMPONENTES. 2.1. Disoluciones: definición y clasificación. Formas de expresar concentración.
2.2. Potencial químico de un gas ideal, de una mezcla de gases ideales y de una disolución líquida ideal. Ecuación de Gibbs-Duhem y ecuación de Gibbs-Helmholtz .
2.3. Efecto de la adición de un soluto en el potencial químico de un disolvente. Condición de equilibrio termodinámico en sistemas de dos componentes.
2.4. Sistemas binarios ideales con solutos volátiles.
2.4.1. Equilibrio líquido-vapor para sistemas ideales binarios de líquidos totalmente miscibles: Ley de Raoult y Ley de Dalton. Construcción de diagramas P vs x,y y T vs x,y. Cálculo de las composiciones en fase vapor y líquida: aplicación de la regla de la palanca. Destilación fraccionada y a presión reducida.
2.5. Sistemas binarios con solutos no volátiles: propiedades coligativas.
2.5.1. Estudio de disoluciones de no electrolitos.
2.5.2. Estudio en disoluciones de electrolitos: la teoría de Arrhenius, grado de disociación y el factor de Van´t Hoff.
2.5.3. Aplicación de las propiedades coligativas: determinación de la masa molar de un soluto desconocido y pureza de un disolvente. Destilación simple.
2.6. Sistemas binarios no ideales: diferencias entre una disolución ideal y real.
2.6.1. Equilibrio líquido-líquido: sistemas binarios de líquidos parcialmente miscibles. Cálculo de las composiciones en las fases líquidas: aplicación de la regla de la palanca.
2.6.2. Equilibrio líquido-líquido: sistemas binarios de líquidos totalmente inmiscibles. Destilación por arrastre de vapor.
2.6.3. Equilibrio líquido-vapor en sistemas reales: desviaciones de la idealidad y punto azeotrópico superior e inferior. Ley de Henry. Diagramas P vs x,y, T vs x,y y y vs x.
2.6.4. Sistemas binarios en fases condensadas. Equilibrio sólido-líquido en sistemas binarios. Sistema eutéctico simple.
UNIDAD 3. EQUILIBRIO QUÍMICO EN SISTEMAS IDEALES. 3.1. Ley de acción de masas en reacciones no cuantitativas: definición y escritura de la constante de equilibrio (Kc, Kp y Ky) en reacciones en fase homogénea y heterogénea. Relación existente entre las constantes de equilibrio Kc
, Kp y Ky.
3.2. Definición y aplicación de la constante de equilibrio en reacciones ácido-base, óxido-reducción, precipitación y de formación de complejos.
3.3. Principio de Le Châtelier: análisis cualitativo de los factores que afectan al equilibrio químico.
3.4. Análisis de las propiedades de la energía de Gibbs y el potencial químico como criterio de espontaneidad y equilibrio. Aplicación de la energía de Gibbs y potencial químico a procesos químicos.
3.5. Relación entre la energía de Gibbs y la constante de equilibrio. Relación de la constante de equilibrio con la entalpía y la entropía de reacción: predicción del comportamiento de la reacción a través de los potenciales termodinámicos.
3.6. Análisis cuantitativo de los factores que afectan a la constante de equilibrio: dependencia con la presión y concentración. Dependencia con la temperatura: ecuación de van't Hoff.
3.6.1. Cálculo del avance de reacción para sistemas reaccionantes homogéneos y heterogéneos.
3.6.2. Evaluación de Kp, Kc y Ky para sistemas homogéneos y heterogéneos.
UNIDAD 4. FUNDAMENTOS DE CINÉTICA QUÍMICA. 4.1. Fundamentos de espectrofotometría: espectroscopía UV-visible y la Ley de Lambert-Beer.
4.2. Rapidez de reacción, orden parcial, orden total de reacción, molecularidad y constante de rapidez de reacción.
4.3. Reacciones elementales y complejas. Mecanismos de reacción.
4.4. Análisis de datos cinéticos: método diferencial, método integral, método de la vida media y método de aislamiento de Ostwald.
4.5. Influencia de la temperatura en la constante de rapidez: ecuación de Arrhenius, teoría de colisiones y la teoría del estado de transición (ecuación de Eyring).
4.6. Análisis de reacciones complejas: reacciones consecutivas, paralelas y reversibles.
4.7. Catálisis: efecto de un catalizador e inhibidor en la rapidez de reacción. Tipos de catálisis: homogénea y heterogénea.
- Raymond Chang "Fisicoquímica", McGraw Hill
- Thomas Engel y Philip Reid "Química Física", Pearson-Addison Wesley
- David W. Ball "Fisicoquímica", Thompson
- Peter W. Atkins "Fisicoquímica", Addison-Wesley Iberoamericana
- Gilbert W. Castellan "Fisicoquímica", Addison-Wesley Iberoamericana
- Donald A. McQuarrie and John D. Simon "Physical Chemistry", University Science Books
- Keith J. Leidler y John H. Meiser "Fisicoquímica", Grupo Editorial Patria
- Ira N. Levine "Problemas de Fisicoquímica", McGraw Hill
- Raymond Chang "Química" McGraw Hill
- Theodore L. Brown, Julia R. Burdge, Bruce E. Bursten y H. Eugene Lemay "Química la Ciencia Central", Pearson Prentice Hall
- David Halliday, Robert Resnick y Kenneth S. Crane "Física" Vols. 1 y 2 CECSA
- Raymond A. Serway y John W. Jewett Jr. "Física para científicos e ingenieros con Física Moderna" Vols. 1 y 2 Cengage Learning
- James Stewart "Cálculo Diferencial e Integral" Thompson
- Earl Swokowski "Cálculo con Geometría Analítica" Grupo Editorial Iberoamérica
- Dennis G. Zill "Ecuaciones Diferenciales" Thompson Learning
- Richard Felder y Michael Russeau "Principios elementales de los procesos químicos" Limusa Wiley
- L. G. Wade Jr. "Química Orgánica" Pearson Prenice Hall
- John McMurry "Química Orgánica" Thompson Internacional
- Geoff Rayner-Canham "Química Inorgánica Descriptiva" Prentice Hall
- Daniel C. Harris "Análisis Químico Cuantitativo" Reverté
- John A. Dean "Lange's Handbook of Chemistry" McGraw Hill
- S. R. Logan "Fundamentos de Cinética Química" Addison Wesley Iberoamericana
- A. T. Florence and D. Attwood "Physicochemical Principles of Pharmacy" Pharmaceutical Press
