Cinética - Instituto Tecnológico de Morelia

1.- DATOS DE LA ASIGNATURA
Nombre de la asignatura : Cinética
Carrera : Ingeniería en Materiales
Clave de la asignatura : MAC-1005
SATCA1 2-2-4
2.- PRESENTACIÓN
Caracterización de la asignatura.
La asignatura aporta al perfil del Ingeniero en Materiales la habilidad para el entendimiento
de un proceso, predicción de la temperatura óptima de reacción, el control del proceso y la
estimación del tiempo de vida de un material.
Para integrar la materia se realizo un análisis sobre la cinética heterogénea y los
fundamentos necesarios, con el fin de que el estudiante encuentre una amplia aplicación en
su quehacer profesional.
Esta es una materia básica, que el estudiante aplicará en materias de grados más altos.
Tales como: Caracterización estructural, materiales cerámicos, materiales poliméricos,
Introducción a la nanotecnología de materiales, introducción a los biomateriales y otras
materias de la especialidad.
Intención didáctica.
El temario se divide en tres partes, en la primera se describen conceptos básicos sobre
fenómenos de superficie, en la segunda parte se trata sobre cinética Química homogénea y
en la tercer parte se aplican las dos anteriores para el entendimiento de la cinética química
en reacciones heterogéneas.
Las estrategias metodológicas incluyen exposición del profesor donde se presentaran los
conceptos teóricos y su aplicación en la resolución y discusión de problemas prácticos. Se
entrega a los alumnos una extensa colección de problemas, que incluyen el resultado
numérico final, para que puedan adquirir la destreza necesaria en su resolución. Las clases
prácticas, donde se abordarán los aspectos experimentales más formativos, se realizan en
el laboratorio. Además, se usará la búsqueda bibliográfica para realizar tareas y reafirmar el
conocimiento.
El aprendizaje debe ser significativo. Se busca partir de ejemplos concretos, cotidianos,
para que el estudiante asimile de mejor forma los fenómenos físicos y químicos
relacionados con la cinética química. De igual manera es fundamental que el alumno realice
prácticas de laboratorio y/o visitas industriales con el fin de que aplique el conocimiento
adquirido en el aula.
1
Sistema de Asignación y Transferencia de Créditos Académicos
3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Competencias específicas:
ƒ Aplicar, en base a fenómenos de
superficie y cinética, los fenómenos
involucrados
en
reacciones
catalizadas por sólidos y la cinética
de las reacciones fluido-partícula
sólida, los cuales son fundamentales
en la obtención y uso de materiales
cerámicos,
poliméricos,
nanomateriales y biomateriales.
Competencias genéricas:
Competencias instrumentales
• Capacidad de análisis, síntesis y
abstracción.
• Capacidad de comunicación oral y
•
•
•
•
escrita.
Habilidad en el uso de tecnologías
de información y comunicación.
Capacidad para identificar, plantear
y resolver problemas.
Habilidades
de
gestión
de
información(habilidad para buscar y
analizar información proveniente de
fuentes diversas
Toma de decisiones.
Competencias interpersonales
• Capacidad para trabajar en equipo.
• Capacidad crítica y autocrítica.
• Apreciación de la diversidad y la
multiculturalidad.
• Capacidad de comunicarse
profesionales de otras áreas
• Compromiso ético.
con
Competencias sistémicas
• Habilidades de investigación.
• Capacidad
de
aplicar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
los
conocimientos en la práctica.
Capacidad de aprender.
Capacidad de adaptarse a nuevas
situaciones.
Capacidad de generar nuevas ideas
(creatividad).
Sensibilidad
hacia
temas
medioambientales.
Liderazgo
Habilidad para trabajar en forma
autónoma
Capacidad para diseñar y gestionar
proyectos
Iniciativa y espíritu emprendedor
Preocupación por la calidad
Búsqueda del logro
.
4.- HISTORIA DEL PROGRAMA
Lugar y fecha de
Participantes
elaboración o revisión
Representantes de los Institutos
Tecnológicos de:
Instituto Tecnológico de Superior de Calkiní, Chihuahua,
Estudios Superiores de Superior de Irapuato, Morelia,
Ecatepec del 9 al 13 de Saltillo, Superior de Tlaxco y
Zacatecas.
noviembre de 2009.
Desarrollo de Programas
en
Competencias
Profesionales por los
Institutos Tecnológicos
del 16 de noviembre de
2009 al 26 de mayo de
2010.
Evento
Reunión
Nacional
de
Diseño
e
Innovación
Curricular
para
el
Desarrollo y Formación de
Competencias
Profesionales
de
la
Carrera de Ingeniería en
Materiales.
Academias de Ingeniería en
Elaboración del programa
Materiales de los Institutos
de estudio propuesto en la
Tecnológicos de:
Reunión
Nacional
de
Irapuato y Morelia
Diseño Curricular de la
Carrera de Ingeniería en
Materiales.
Representantes de los Institutos
Tecnológicos de:
Instituto Tecnológico de Superior de Calkiní, Chihuahua,
Zacatecas del 12 al 16 Superior de Irapuato, Morelia,
Saltillo, Superior de Tlaxco y
de abril de 2010.
Zacatecas.
Reunión
Nacional
Consolidación
de
Programas
Competencias
Profesionales
de
Carrera de Ingeniería
Materiales.
de
los
en
la
en
5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSO
Aplicar, en base a fenómenos de superficie y cinética, los fenómenos involucrados en
reacciones catalizadas por sólidos y la cinética de las reacciones fluido - partícula sólida, las
cuales son fundamentales en la obtención y uso de materiales cerámicos, poliméricos,
nanomateriales y biomateriales
6.- COMPETENCIAS PREVIAS
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Asociar un comportamiento de variables con una representación gráfica y analítica.
Resolución de sistemas de ecuaciones lineales
Saber derivar, integrar y resolver ecuaciones diferenciales
Conocer la nomenclatura de compuestos químicos
Entender que es una reacción y el equilibrio químico
Conocer la ecuación de estado para gases ideales
Asimilar la primera y segunda ley de la termodinámica
Aplicar ajuste de funciones para la obtención de modelo matemático a partir de un
conjunto de datos experimentales.
Reconocer conceptos de propiedades coligativas.
ƒ
7.- TEMARIO
Unidad
1
2
Temas
Fenómenos de superficie
Subtemas
1.1. Conceptos y aplicaciones de Tensión
superficial y capilaridad
1.2. Modelos clásicos de tensión superficial, en
sistemas heterogéneos
1.3. Deducción de la Ecuación Young-Duprè
1.4. Conceptos y aplicaciones de adhesión y
cohesión interfacial
1.5. Interpretación y aplicación del diagrama
Tensión superficial –Temperatura –
Composición
1.6. Aplicación de las Ecuaciones de fenómenos de
superficie en sistemas:(g)-(s)-(l)
1.7. Formación de la capa bieléctrica
1.8. Adsorción y desorción
2.1
Cinética
química
en
2.2
reacciones homogéneas
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
Velocidad de reacción
Ley de velocidad y orden de reacción.
Ley integrada de velocidad
Métodos de determinación del orden de
reacción
Dependencia de la velocidad de reacción con la
temperatura (Ecuación de Arrhenius)
Energía de activación de una reacción
Cinética en reacciones reversibles
Procesos elementales y mecanismos de
reacción
Reacciones unimoleculares
2.10
2.11
2.12
2.13
Teoría de las colisiones
Teoría del estado de transición
Reacciones en cadena
Catálisis homogénea
2.13.1 Catálisis en fase gaseosa
2.13.2 Catálisis en disolución
2.13.3 Catálisis ácida
2.13.4 Catálisis básica
2.14 Cinética enzimática
3
3.1. Introducción a las reacciones heterogéneas
Cinética
química
de
3.2. Reacciones catalizadas por sólidos
reacciones heterogéneas
3.2.1. Factores que afectan la velocidad de
reacción cuando se usan partículas
catalíticas
3.2.2. Etapas que ocurren al momento de
que interviene el catalizador en la
reacción
3.2.3. Resistencia a la difusión en los poros
combinada con la cinética de superficie
8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS
Para la evaluación de esta asignatura se recomienda que el docente genere un portafolio
de evidencias, y entre las que se recomiendan están las siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Crear situaciones que permitan al estudiante la integración de contenidos de la
asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y para la solución de
problemas.
Incrementar la realización de actividades o tareas que den cuenta por medio de
evidencias, de que la competencia se ha desarrollado.
Propiciar el planteamiento de preguntas y la solución de problemas, así como el
aprendizaje a partir del error.
Estimular la búsqueda amplia, profunda y fundamentada de información.
Promover la precisión en el uso de nomenclatura y terminología científica, tecnológica
y humanística.
Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas
fuentes.
Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de los contenidos de la
asignatura.
Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio
argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entre los
estudiantes.
Propiciar, en el estudiante, el desarrollo de actividades intelectuales de induccióndeducción y análisis-síntesis, las cuales lo encaminan hacia la investigación, la
aplicación de conocimientos y la solución de problemas.
Llevar a cabo actividades prácticas que promuevan el desarrollo de habilidades para
la experimentación, tales como: observación, identificación manejo y control de de
variables y datos relevantes, planteamiento de hipótesis, de trabajo en equipo.
9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Exposición y discusión en clase.
Talleres.
Investigaciones en fuentes de información.
Visitas a industrias, museos, laboratorios y centros de información.
Uso de Software
Materiales audiovisuales
Practicas experimentales.
Exámenes escritos para comprobar el manejo de aspectos teóricos y declarativos.
10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE
Unidad 1: Fenómenos de Superficie
Competencia específica a desarrollar
Aplicar los fundamentos de los
fenómenos superficiales entre
diversas fases en un sistema.
•
•
•
•
•
•
Actividades de Aprendizaje
Investigar y discutir en plenaria el
comportamiento superficial de un
sistema considerando: presión capilar,
ángulo de mojabilidad y trabajo
superficial.
Realizar un cuadro comparativo para
explicar el fenómeno de la capa
bielectrica y su importancia en los
sistemas coloidales
Realizar un modelo donde explique el
fenómeno general de adsorción en
sólidos, incluyendo un debate sobre las
isotermas de Langmuir, Freundlich y
BET.
Realizar prácticas de laboratorio donde
determinen los mecanismos a través
de los cuales se generan cargas
eléctricas sobre partículas dispersadas
en una suspensión.
Investigar en diferentes fuentes
bibliográficas y realizar un mapa
mental en donde explique el concepto
de doble capa eléctrica y relacionarla
con procesos de separación de
minerales por flotación.
Elaboración de un compendio de
problemas resueltos como
trabajo
extraclase.
Unidad 2: Cinética Química en reacciones homogéneas
Competencia específica a desarrollar
Actividades de Aprendizaje
•
Interpretar los fundamentos de la
cinética química en sistemas
reales.
Clasificar
catálisis.
•
los distintos tipos de
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Investigar y presentar en plenaria la
definición de los conceptos: velocidad
de reacción y orden de reacción, y cuál
es su aplicación en la Ingeniería en
Materiales.
Aplicar el concepto de molecularidad
en reacciones químicas al resolver
problemas relacionados
Investigar sobre los catalizadores
comúnmente empleados y sobre el
mecanismo por el cual se acelera la
velocidad de una reacción por la
presencia del catalizador.
Aplicar el concepto de orden de una
reacción.
Aplicar el concepto de energía de
activación en reacciones químicas.
Dar
ejemplos
de
diferentes
mecanismos de reacción por medio de
un cuadro sinóptico.
Explicar la diferencia entre catálisis
homogénea y heterogénea
Analizar y debatir los siguientes
procesos de catálisis homogénea:
catálisis en fase gaseosa,
Catálisis en disolución, catálisis ácida,
catálisis básica y catálisis enzimática
Realizar experimentos que permitan la
reflexión sobre el efecto que tienen la
temperatura y la concentración de los
reactivos sobre la velocidad de una
reacción química determinada.
Resolver problemas para determinar la
ecuación de velocidad a partir de datos
obtenidos experimentales, por medio
de trabajo en equipo y tareas
extraclase.
Unidad 3: Cinética química de reacciones heterogéneas
Competencia específica a desarrollar
Actividades de Aprendizaje
Aplicar
las
reacciones
•
Explicar las reacciones entre fluidos y
sólidos, por medio de una práctica
heterogéneas en general y
principalmente las catalizadas por
sólidos
•
•
•
experimental.
Elaborar un ensayo en donde enumere
y explique los factores que afectan la
velocidad de reacción cuando se usan
partículas catalíticas.
Elaborar un mapa mental en donde
explique las etapas que ocurren al
momento de que interviene el catalizador
en la reacción de adsorción o desorción
en la superficie de la partícula.
Analizar y debatir en plenaria la
resistencia a la difusión en los poros
combinada con la cinética de superficie.
11.- FUENTES DE INFORMACIÓN
1. Logan, S. R.; Fundamentos de cinética química; Primera edición en español; Addison
Wesley iberoamericana; Madrid, España; 2000.
2. Levenspiel, Octave; Ingeniería de las reacciones químicas; Tercera edición; Limusa
Wiley; Ciudad de México; 2004.
3. Castellan, Gilbert W.; Fisicoquímica; Segunda edición en español; Pearson
educación; México; 1998.
4. Levenspiel, Octave; El omnilibro de los reactores químicos; Edición en español;
Reverté; Barcelona; 1985
5. Smith, J. M.; Ingeniería de la cinética química; CECSA; México; 1991.
6. R Chang. FISICOQUIMICA. Ed. Mc Graw Hill (2008).
7. J. F. SHAKELFORD. Ciencia de Materiales para Ingenieros. Prentice Hall
Hispanoamericana S. A.
8. P. W Atkins. Fisicoquímica. Ed. Fondo Educ. Interamericano.
9. Ira N. Levine, FISICOQUIMICA. Editorial Mc Graw Hill.
10. Walter J moore, PHYSICAL CHEMISTRY. Edited by Prentice-Hall. Fourth edition.
12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Determinar tensión superficial de diferentes líquidos
Determinación de la isoterma de adsorción del ácido acético sobre carbón activado.
Influencia en la velocidad de reacción y determinar el orden de la reacción redox entre
yodato (IO3-) y bisulfito (HSO3-).
Reacciones reversibles
Reacciones endotérmicas y exotérmicas
Efecto de la concentración de sustrato sobre una enzima
Determinación conductimétrica de la constante de velocidad para una reacción de
saponificación.
Estudio del efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción.
Estudio cinético de la reacción entre el yodo y la acetona catalizada por ácido
Deshidratación de un alcohol usando alúmina como catalizador