QUÍMICA PARA INGENIERÍA

María José Climent Olmedo
Susana Encinas Perea
Belén Ferrer Ribera
Sara Iborra Chornet
María Luisa Marín García
Isabel Morera Bertomeu
Sergio Navalón Oltra
Félix Sacenón Galarza
QUÍMICA PARA INGENIERÍA
EDITORIAL
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA
Primera edición, 2011 ▪ reimpresión 2016
© María José Climent Olmedo
Susana Encinas Perea
Belén Ferrer Ribera
Sara Iborra Chornet
Mará Luisa Marín García
Isabel Morera Bertomeu
Sergio Navalón Oltra
Felix Sancenón Galarza
© de la presente edición: Editorial Universitat Politècnica de València
distribución: Telf.: 963 877 012 / www.lalibreria.upv.es / Ref.: 0860_02_01_25
Imprime: Byprint Percom, sl.
ISBN: 978-84-8363-740-1
Impreso bajo demanda
La Editorial UPV autoriza la reproducción, traducción y difusión parcial de la presente publicación con
fines científicos, educativos y de investigación que no sean comerciales ni de lucro, siempre que se
identifique y se reconozca debidamente a la Editorial UPV, la publicación y los autores. La
autorización para reproducir, difundir o traducir el presente estudio, o compilar o crear obras
derivadas del mismo en cualquier forma, con fines comerciales/lucrativos o sin ánimo de lucro,
deberá solicitarse por escrito al correo [email protected]
Impreso en España
PRÓLOGO
La implantación del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES) en los estudios de Grado Universitario ha implicado cambios importantes. Uno de ellos ha
sido la reforma de los Planes de Estudio. En ellos, los programas de las materias
o asignaturas no son sólo una enumeración de contenidos, sino que se describen en términos de competencias, es decir que debe saber hacer un titulado
!
sociedad.
Es evidente que la Química está presente en todo lo que nos rodea y es responsable del desarrollo de nuestra sociedad actual. La adquisición de conocimientos químicos por los estudiantes de Ingeniería es imprescindible, puesto
"#
#
$
%
!
&
'*
razón por la que la Química se ha introducido como asignatura básica en las
titulaciones de Grado en numerosas Ingenierías. A través de la Química se pueden sintetizar nuevas sustancias, explorar nuevas fuentes de energía, ofrecer
soluciones a la demanda de nuevos materiales, plaguicidas, fármacos, etc. y
resolver problemas medioambientales.
El libro “Química para Ingeniería” incluye conceptos de Química General, Inorgánica y Orgánica y es una recopilación del material utilizado para impartir las
clases teóricas. Consiste en las presentaciones de Power Point que, mediante
imágenes y de forma abreviada y visual, resumen el contenido de los temas que
comprende esta asignatura.
Este texto va dirigido a los alumnos de la asignatura de Química de primer curso
de las titulaciones de Grado en Ingeniería de Organización Industrial, Grado
en Ingeniería en Tecnologías Industriales y Grado en Ingeniería de la Energía
impartidas en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, aunque
puede ser utilizado para abordar el estudio de la Química en cualquier otro
título de Grado de Ingeniería. En él se recogen conceptos relacionados, entre
otros, con la generación de energía mediante el uso de combustibles fósiles y
v
Química para Ingeniería
las alternativas a los mismos, las celdas de combustible, la protección contra la
corrosión de metales, la obtención y utilización de diferentes polímeros, y los
procesos químicos catalíticos.
Con la publicación de este libro no se pretende sustituir a ningún libro de Química clásico, lo que se desea es que sirva como guía y material de apoyo en el
estudio de la asignatura de Química.
Consta de diez temas en los que se estudian conceptos y principios químicos
y su relación con los fenómenos comunes observables, con la aplicación a la
industria, con la tecnología y con el medio ambiente. Al principio de cada tema
%&
!%#
&
"
+
##
&%
#tales y se incluyen aplicaciones prácticas.
Se inicia con dos temas dedicados a termoquímica, cinética y equilibrio químicos, donde se estudian los procesos químicos desde un punto de vista estático y
dinámico. En el tema 3 se aborda el estudio de tres productos inorgánicos relevantes por su elevada producción industrial. El tema siguiente está dedicado a
los procesos de oxidación y reducción, en él se describe, entre otros conceptos,
la forma de transformar energía química en energía eléctrica, el fenómeno de
la corrosión y cómo prevenirla. En el tema 5 se introducen los conceptos generales de la Química Orgánica, pasando a continuación a estudiar las familias de
compuestos orgánicos importantes en el campo de la industria y la tecnología.
En todos los temas dedicados a la Química Orgánica se estudia la reactividad,
los métodos generales de obtención y las aplicaciones industriales. En los temas
6 y 7 se aborda el estudio de los hidrocarburos: alcanos, alquenos, alquinos y
aromáticos. El tema 8 trata los alcoholes, éteres y epóxidos. El estudio de los
compuestos carbonílicos (aldehídos y cetonas) se aborda en el tema 9. El texto
#
+
&
/$
%
En la mayoría de los temas, la aplicación industrial se recoge de manera es"#+
"
;<!#
#!%&
!&
#
+
"
$
un texto de referencia como punto de partida para la elaboración del mismo.
A pesar de que este texto se ha elaborado con mucha dedicación y cuidado,
#
"#
#
&%#
#
tinua revisión. En este sentido, agradecemos comentarios y críticas que nos
##
!
Mª José Climent, Sara Iborra, Isabel Morera
vi
ÍNDICE
Tema 1. Termodinámica y Equilibrio Químico ............................................................. 1
Objetivos e introducción ............................................................................................ 5
................................................................................ 7
.............................................. 9
!"# ............................................. 10
$
!"%# .................. 11
& '()
.......................................................................................................... 11
& *+
()
.................................................. 12
& ")
()
................................................ 13
&& "%)
()
................................................ 13
&, -
"%" .................................................................................. 14
&/ 6
.............................................................. 14
&8 :()
.............................................................................. 16
&< $
)"%
()
........................................................ 17
&= $
....................................................................................... 19
&> "%
)?:@
A66............................... 21
&B')CC............................................ 22
, )
.................................................. 23
/ '
) ..................................... 25
/ $
)
!"D#
()
.................. 26
8 E)
.......................................... 27
8 6
.............................................................. 28
8 $
)
E!"E#
()
..................................................................................... 29
< -
() ...................... 31
= () ........................................................................ 33
> ()....................................................................... 34
B '() .................................................................................................... 35
$():
................................................... 36
-
@
@ ............................................. 37
()
)?
)
GH%66 ............................................................................................ 38
& 6
()?
:$A.......................................................................................... 39
Tema 2. Cinética Química ............................................................................................ 41
Objetivos e introducción .......................................................................................... 45
*+
()
.............................................................................. 47
........................................................................ 48
& I
()
.................................................... 49
, :6
*
..................................................... 50
/ ........... 51
8 ()
'JA) ................................. 54
< KL)
)
.................................. 57
= ......................................................................................... 57
vii
Química para Ingeniería
>
$ ................................................................................................................... 61
> $
......................................................................... 62
> '
............................................................................................ 64
>& $)()
65
>, $)()
.. 65
Tema 3. Química Inorgánica Industrial ....................................................................... 67
Objetivos e introducción .......................................................................................... 71
J
!M%3# ....................................................................................................... 73
) ........................................................................................ 73
D) ........................................................................................... 73
& J
............................................................. 74
N
)6P
!%2D*4# ............................................................................................ 76
) ........................................................................................ 76
D) ........................................................................................... 76
& J
............................................................. 78
& N
!%M*3# ................................................................................................ 78
& ) ........................................................................................ 78
& D) ........................................................................................... 79
&& J
............................................................. 80
, 6
%2D*4%M*3........................... 81
Tema 4. Reacciones de Oxidación-Reducción .......................................................... 83
Objetivos e introducción .......................................................................................... 87
$
............................................................................................... 89
MPC
...................................................................................... 90
$
.................................................................................................... 92
& )
............................................................. 94
& )
D
Q............................. 95
, C
R)
...................................... 97
/ -
)
?
)
M . 97
8 -
)
() ...... 99
< '
)
.............................. 99
= .......................................................................... 100
> *
.......................................................... 101
B
A
...................................... 102
Tema 5. Introducción a la Química Orgánica ........................................................... 105
Objetivos ................................................................................................................ 109
$
S)
*
.............................................................................111
A
S)
*
..........................................................111
& K
S)
*
..................................................................... 112
& S)
*
............................ 112
& :K)S)
*
..................................................................... 113
, :S)
*
K*+ .................................................. 113
/ )+)
)S)
*
.................................................... 114
/ -
6))
) ............................................. 115
/ K........................................................................................................ 115
8 E)6)
................................................................................................ 116
< I
)
....................................................................... 116
= M
)
)
.............................................................. 117
viii
Índice
Tema 6. Hidrocarburos Saturados e Insaturados.................................................... 119
Objetivos e introducción ........................................................................................ 123
6
T()() ........................................... 125
)
)
............................................................................................ 125
& I))
?) ........................................... 127
, -
.......................................................................................... 128
, -
A
........................................................................... 129
/ )
)() .......................................................................................... 130
8 () .................................................. 131
8 %UA)() ...................................................... 131
8 %2*
A ................................................................. 131
< -
() ....................................................................................... 132
< %A
J
VV ..................................................... 133
< J
%WRVV ................................................................. 134
<& %
................................................................................................... 134
<, %
................................................................................................ 135
</ %
.............................................................................................. 135
<8 C
.................................................................................................. 136
= J())................................................................... 136
> Q
() ................................................................................... 138
B
................................................................................................. 139
$)
A)
..................................................................................... 139
)
)() ........................................................................................... 140
&
() ......................................................... 141
,-
()......................................................................................... 142
,%A
........................................................................................ 142
,%
................................................................................................ 143
,&%
.............................................................................................. 143
,,*
() .................................................................... 144
/J())?
................................................... 144
Tema 7. Hidrocarburos Aromáticos .......................................................................... 147
Objetivos e introducción ........................................................................................ 151
W
-
............................................................... 153
)
)6
A
)
............................. 153
& -
A
)
............................................................. 154
& %
................................................................................................ 154
& M
....................................................................................................... 155
&& D)6
................................................................................................... 155
&, J()
IR$6 ........................................................................ 156
&/ J
IR$6 ........................................................................... 156
, -
))?
.................. 157
, $
))
.............................. 157
/ J()
?
...................................................... 158
/ %
................................................................................ 158
/ *C
...................................................................................... 158
8 %
)
) ..................................................... 159
Tema 8. Alcoholes, Éteres y Epóxidos ..................................................................... 161
Objetivos e introducción ........................................................................................ 165
)
)6
A ...................................................... 167
ix
Química para Ingeniería
&
,
A .................................................. 167
-)
)
....................................................... 167
%
() ............................................................................... 167
& D))
)
6
A)()
AC
....... 167
-
A ....................................................................................... 168
& *C
)
.......................................................... 168
& -
%U?
A)() ...................................... 168
&& A
.............................................................................................. 168
&, *
?X................................................ 168
J
A)?TTTRT
6 ...................................................................................................... 169
/ )
)6
C ......................................... 172
/ C ................................................................ 173
/ -
)C............................................. 173
/%
Q ........................................................... 173
/-
E .................................................. 174
8 C ............................................................ 174
Tema 9. Aldehídos y Cetonas .................................................................................... 175
Objetivos e introducción ........................................................................................ 179
)
)6
............................................................................ 181
)
......................... 181
................................................................................ 181
*C
A
) .................................................. 181
J
A
)
?
..... 181
A?C
A ...................... 181
& -
)
.............................................................. 182
& J
)
6
E?
A ....... 182
& -
C
.............................................................................. 182
&& -
)
............................................................................. 182
, JA
)?6AT
A
.......................................................................................... 183
/ )
................................................ 184
Tema 10. Ácidos Carboxílicos y Derivados ............................................................. 185
Objetivos e introducción ........................................................................................ 189
)
)6
C
....................................... 191
C
................................... 191
*C
()
........................................................................ 191
*C
AA ............................................. 191
& -
C
........................................................................ 192
& I
...................................................................................... 192
& -)
A ................................................................................. 192
&& '6
........................................................ 192
, -
C
?
R
........................................................................................... 192
/ -
........................................................... 193
8 )
C
................................................. 194
8 ......................................................................... 194
8 I ...................................................................................... 194
8& ).................................................................................................. 194
x
Bibliografía .................................................................................................................. 195
TEMA 1
'-*KMNK$JY
SZK:KW-K*SZ[K$*
1
Tema: 1. Termodinámica y Equilibrio Químico
ÍNDICE
6
!'#
$
!'%#
&'()
&*+
()
&
')
()
&&
',ĞŶ)
()
&,-
'%'
&/
6
&8:()
&<$
)'%
()
&=$
6
&>
'%
)?:@
A66
&B')CC
,)
/'
)
/$
)
!'D#
()
8E)
86
8 $
) E !'E# ()
<-
()
=
()
>()
B'()
$():
-
@c @ ()
)?
)
GH%66
& 6
()?
:$A
3
Tema: 1. Termodinámica y Equilibrio Químico
OBJETIVOS
R ZQ ()
R $
) ) C C )
R 6 ()
R ()
) R -
()
R K6
)
()
C
()
R ZQC
()
)
R K6
()6
()()
R 6
) C T ()
INTRODUCCIÓN
R :
())6
6
)6
R : ()
) ()
R ' ()
()
) )Q 6 6 E () ) ()
T T )
)6
)6
R ()
6
)
)
()
))
)
Q()
5
Tema: 1. Termodinámica y Equilibrio Químico
1. Definiciones y términos básicos
R Sistema?
)
# Abierto?
!
\+#
C
# Cerrado?
CT
# Aislado?
C
R Límites?D)6
())
R Ambiente o entorno? ' + ) 6) T())
+? ) ) ) )
)
])
R D?
R :?
R J? ]
Gas
1. Definiciones y términos básicos
R Variables termodinámicas? )
+)
Presión
Volumen
Temperatura
()
6
Composición
R Estado? $
6
) () () 6)
R Función de estado?G()P
6
La variación de una función de estado es independiente
del camino recorrido
7
Química para Ingeniería
1. Definiciones y términos básicos
+?C)
Gas
Gas
Estado A
(P1, T1, V1, n1)
P
P1
Camino 2
Estado B
(P2, T1, V2, n1)
A
Camino 1
B
P2
V1
V2 V
P y V son funciones de estado
1. Definiciones y términos básicos
R Equilibrio termodinámico? () )
P ()()
!
#
R Transformación termodinámica?$))
)
)
()()
:6
)?
R K !'^
#
R K
!G^
#
R K !^
#
R J
!
#
8
Tema: 1. Termodinámica y Equilibrio Químico
1. Definiciones y términos básicos
R Proceso reversible?
()C)
) )6
T () T )()
: 6 ) 6 Puede ser invertido )() A
) 6
R Proceso irreversible?
()C()
: 6 ) 6
No puede ser invertido ) 6 C
2. Primer principio de la termodinámica. Energía interna
?
La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma
Energía interna (E): ) () 6
))
66
()
)?
R )P
R R ()
R T
)
R )
La energía interna depende de la temperatura
No es medible y sólo se pueden medir variaciones de la misma
9
Química para Ingeniería
2.1. Medida de la variación de energía interna ('E)
'E = q + w
q (calor): ()
))
))6
)
w (trabajo): () ) ) ))
)
C\
)?
㫎
㪭㪉
㪄 ³ 㪧㪼㫏㫋 㪻㪭
㩷㩷 㩷 㪭㪈
㩷
Calor y trabajo tienen unidades de energía
1 cal = 4,18 J
2.1. Medida de la variación de energía interna ('E)
'E = q + w
Calor y trabajo no son función de estado
(G o )
()
))
(P o )
()
)
D
Q)
TG^
_^ BT?
'E = qv
La 'E se determina experimentalmente midiendo el calor
absorbido o desprendido en el proceso a volumen constante
10
Tema: 1. Termodinámica y Equilibrio Químico
2.2. Concepto de entalpía y medida de la variación de entalpía ('H)
() ) 6 ) )
6)
entalpía (H)?
%^a!˜G#
'%^'a'!˜G#^'a'GaG'P
^
'%^'a'G
R 'G^_
'%^'R _
'^(a_
'H = qp
Para medir 'H se realiza el proceso a presión constante y se mide el
calor desprendido o absorbido
3. Termoquímica
R ()
())
()
aA + bB o cC + dD
R D ()
T()))
)
11
Para seguir leyendo haga click aquí