Q 95 088 Termodinámica Química Avanzada

 

 

 Unidades:3-0-8

 Requisito: Q00842

 Semestre y carrera: 7° LCQ

 Equivalencia:No tiene

 

Objetivo general de la materia:

 

Este curso se enfocará a la aplicación de la Termodinámica a la descripción del

comportamiento de mezclas, sistemas reaccionantes y materiales, basándonos en la definición de conceptos como potencial químico, fugacidad y actividad, equilibrio, etc.. Se enfatizará en la relación de las funciones termodinámicas y los diagramas de fase de

sistemas de dos y tres componentes y el equilibrio electroquímico.

 

 También se revisará la conexión entre las propiedades microscópicas y macroscópicas de sistemas simples a través de conceptos básicos de Termodinámica Estadística.

 

 Temas y subtemas del curso:

 

1. Principios fundamentales

 1.1 Leyes de la Termodinámica

 1.2 Ecuaciones fundamentales

 1.3 Relaciones de Maxwell

 1.4 Potenciales elásticos, eléctricos y magnéticos en las ecuaciones fundamentales.

 

2. Potencial químico

 2.1 Potencial químico de un compuesto puro.

 2.2 Gas ideal vs. gas real. Concepto de fugacidad

 2.3 Potencial químico de sólidos y líquidos

 2.4 Mezclas de gases ideales

 2.5 Mezclas de gases reales

 2.6 Ecuaciones de estado y la ecuación virial.

 2.7 Ecuación de Clausius-Clapeyron

 2.8 Puntos triples y puntos críticos.

 

3. Equilibrio químico en sistemas reaccionantes

 3.1  Análisis termodinámico de una reacción.

 3.2  Efecto de la temperatura y la presión sobre la reacción.

 3.3  El principio de Le Chatelier-Braun

Casos de reacciones simultáneas. Regla de fases de Gibbs.

 

4. Sistemas Binarios

 4.1  Funciones termodinámicas de mezclado

 4.2  Propiedades parciales molares

 4.2  Solución ideal

 4.3  Propiedades de exceso

 4.4  Leyes de Raoul y Henry

 4.5  Ecuación de Gibbs-Duhem

 4.6  Diagramas de fase

 

5. Sistemas multicomponentes

 5.1  Características generales de los diagramas ternarios

 5.2  Representaciones gráficas de sistemas multicomponentes

 5.3  Compuestos estequiométricos y no estequiométricos

 

6. Termodinámica de superficies

 6.1  Ecuaciones fundamentales

 6.2  Tensión superficial y el potencial Ω.

 6.3  Tensión superficial y ángulo de contacto en fases puras y mezclas

 6.4  Forma de un cristal en equilibrio

 6.5  Adsorpción. Modelos de adsorpción

 6.6  Entalpía de adsorpción y efecto de la temperatura sobre la tensión superficial.

 

7. Equilibrio Electroquímico

 7.1  Propiedades termodinámicas de iones en solución

 7.2  Ecuación de Debye-Huckel

 7.3  Potencial electroquímico

 7.4  Ecuación de Nernst

 7.5  Potenciales estándar y medias celdas de reducción

 7.6  Aplicaciones de los potenciales estándar

 

8. Termodinámica estadística

 8.1  Estados de un sistema. Modelos simples

 8.2  Configuración más probable y su relación con la Entropía.

 8.3  Distribución de Boltzmann

 8.4  Función de partición

 8.5  Relación estadística entre la función de partición y las funciones termodinámicas.

 8.6  Aplicación de los conceptos al modelo del gas ideal

 

 Objetivos específicos de aprendizaje:

1. Principios fundamentales

 1.1  Reconocer las Leyes de la Termodinámica y su aplicación a sistemas físicos y químicos.

 1.2  Derivar las ecuaciones fundamentales y las respectivas relaciones de Maxwell

Extender las ecuaciones fundamentales a casos en los que los potenciales elásticos, eléctricos y magnéticos actúan sobre el sistema.

 

2. Potencial químico

 2.1  Definir el concepto de potencial químico para un compuesto puro.

 2.2  Reconocer las principales diferencias entre un gas ideal y un gas real

 Definir el concepto de fugacidad

 2.3  Conocer las convenciones utilizadas para escribir el potencial químico de sólidos y líquidos.

 2.4  Distinguir entre mezclas de gases ideales y mezclas de gases reales

 2.5  Enunciar el significado de ecuación de estado

 2.6. Conocer el significado físico de la ecuación virial y su relación con otros modelos de gases reales.

 2.7  Derivar y aplicar la ecuación de Clausius-Clapeyron

Definir los conceptos de puntos triple y punto crítico.

 

3. Equilibrio químico en sistemas reaccionantes

 3.1  Relizar el análisis termodinámico de una reacción con base en el potencial químico.

 3.2  Calcular los efectos de la temperatura y la presión sobre la el equilibrio de la reacción.

 3.3  Aplicar el principio de Le Chatelier-Braun para realizar predicciones sobre el   equilibrio químico.

 3.4  Conocer la regla de fases de Gibbs.

 3.5  Realizar calculos termodinámicos en los casos de reacciones simultáneas.

 

4. Sistemas Binarios

 4.1  Definir y calcular las funciones termodinámicas de mezclado, DVmix, DHmix, DSmix, DGmix.

 4.2  Definir y calcular las propiedades parciales molares

 4.2  Enunciar la definición y propiedades de una solución ideal

 4.3  Definir y calcular las funciones termodinámicas de exceso

 4.4  Conocer los principios de las leyes de Raoul y Henry

 4.5  Aplicar las leyes de Raoult o Henry de acuerdo al caso en cuestión.

 4.5  Conocer las diferencial principales entre la Ley de Raoult y la ley de Henry

 4.6  Definir el potencial químico del soluto y solvente para una solución de Raoult o de Henry.

 4.6  Derivar e integrar la ecuación de Gibbs-Duhem.

Interpretar y construir diagramas de fase para sistemas binarios.

 

5. Sistemas multicomponentes

 5.1  Reconocer las características generales de los diagramas ternarios

 5.2  Interpretar correctamente las representaciones gráficas de sistemas multicomponentes

 5.3  Conocer las propiedades químicas de los compuestos estequiométricos y no estequiométricos

 

6. Termodinámica de superficies

 6.1  Definir tensión superficial y conocer las técinicas experimentales que permiten medirla.

 6.2  Conocer las ecuaciones fundamentales que incluyen el área de superficie y la tensión superficial.

 6.3  Establecer la relación entre la tensión superficial y el potencial Ω.

 6.4  Conocer la importancia de la relación entre tensión superficial y ángulo de contacto en fases puras y mezclas y su

aplicación

en la medición experimental de la tensión superficial.

 6.5  Relacionar la forma de un cristal en equilibrio con su tensión superficial.

 6.6  Definir el concepto de adsorpción, adsorbente y adsorbato, así como los de fisisorción y quimisorción.

 6.7  Conocer los principales modelos de adsorpción y utilizarlos para interpretar el comportamiento físicoquímicos de adsorbentes y adsorbatos

 6.8  Calcular la entalpía de adsorpción a partir de resultados experimentales de adsorción

 6.9  Conocer el efecto de la temperatura sobre la tensión superficial

 

7. Equilibrio Electroquímico

 7.1  Conocer los principales modelos que describen las propiedades termodinámicas de iones en solución.

 7.2  Realizar cálculos de fuerza iónica y actividades de iones en solución utilizando la teoría de Debye-Huckel.

 7.3  Definir el concepto de potencial electroquímico

 7.4  Derivar la ecuación de Nernst y utilizarla para calcular potenciales de reducción de especies electroquímicas.

 7.5  Conocer la utilidad de los potenciales estándar en el tratamiento de medias celdas de reducción

 7.6  Aplicar el cálculo de los potenciales estándar en procesos como la electrólisis, la corrosión y la fabricación de

baterías.

 

8. Termodinámica estadística

 8.1  Definir los estados energéticos disponibles para un sistema.

 8.2  Definir los conceptos de microestado, macroestado y ensamble.

 8.2  Reconocer que la configuración más probable está relacionada con el principio de máxima entropía.

 8.3  Escribir la función de distribución de Boltzmann para un sistema

 8.4  Escribir la función de partición para un sistema en función a sus grados de libertad.

 8.5  Establecer la relación estadística entre la función de partición y las funciones termodinámicas y realizar cálculos de estas últimas

 8.6  Aplicar la distribución de Boltzman y la función de partición al modelo del gas ideal

 

 Metodología de enseñanza

Tiempo estimado de cada tema: Dos semanas por tema

 

 Políticas de evaluacion sugeridas:

3 exámenes parciales 50%

Trabajos y tareas 10%

Examen final 40%

 

Bibliografía:

 

C.H.P Lupis, "Chemical Thermodynamics of Materials", North-Holland, 1983

 

 

 

 

 Libro de consulta:

 

D. McQuarrie, J. Simon, "Molecular Thermodynamics", University Science Books ()

 

D.R. Gaskell "Introduction to the thermodynamics of materials", Tercera edición, Taylor and Francis 1995.

 

 

 

Perfil del Profesor:

Profesor con maestria o doctorado en Fisicoquímica o Ciencia de Materiales