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