Το αντικείμενο του μαθήματος αποτελεί μία από τις δύο βασικές επιστήμες της χημείας των αντιδράσεων (χημική θερμοδυναμική- χημική κινητική) και κατ’ επέκταση της χημικής μεταλλουργίας. Το μάθημα αποτελείται από διδασκαλία θεωρίας και επίλυση προβλημάτων από πίνακα. Αντικείμενο του μαθήματος είναι η μελέτη των ταχυτήτων των χημικών αντιδράσεων και των παραγόντων που τις επηρεάζουν, η μεθοδολογία πραγματοποίησης κινητικής έρευνας στο εργαστήριο και η επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων, με σκοπό τον προσδιορισμό της εξίσωσης ταχύτητας που επαληθεύει τα πειραματικά δεδομένα. Η εξίσωση αυτή θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια, στο σχεδιασμό του βιομηχανικού αντιδραστήρα, όπου θα πραγματοποιηθεί η χημική διεργασία για την παραγωγή προϊόντος.
Στόχος του μαθήματος είναι η γνώση των σπουδαστών αφ’ ενός για βασικές αρχές της φυσικοχημείας που αφορούν τις χημικές αντιδράσεις, δηλ. τις ταχύτητες αυτών και τους παράγοντες που τις επηρεάζουν, και αφ΄ ετέρου για τη μεθοδολογία πραγματοποίησης κινητικής έρευνας στο εργαστήριο και την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων, με σκοπό την εξαγωγή εμπειρικών σχέσεων που συνδέουν την ταχύτητα της αντίδρασης, με τις μακροσκοπικές μεταβλητές του συστήματος που την επηρεάζουν. Πέρα από τη χρησιμότητά της στις θεωρητικές επιστήμες, για την αποκάλυψη του μηχανισμού της αντίδρασης, η χημική κινητική αποτελεί εργαλείο στην επιστήμη του χημικού και μεταλλουργού μηχανικού, καθ’ όσον, οι εμπειρικές σχέσεις για την ταχύτητα, που προκύπτουν από μία κινητική μελέτη, έχουν άμεση εφαρμογή στην τεχνολογία των αντιδραστήρων, και ο μηχανικός καλείται να σχεδιάσει, με χρήση των αποτελεσμάτων της κινητικής μελέτης, τον αντιδραστήρα όπου θα λάβει χώρα βιομηχανικά η χημική ή μεταλλουργική αντίδραση. Συνεπώς θα πρέπει να είναι γνώστης αφ ενός των θεμελιωδών αρχών της χημικής κινητικής, αφ ετέρου του τρόπου με τον οποίο αυτές εφαρμόζονται στο σχεδιασμό των αντιδραστήρων.
Περιγραφή
Το περιεχόμενο του μαθήματος ξεκινά με την ομογενή κινητική και ακολουθούν τα ετερογενή συστήματα που αφορούν και τις διεργασίες παραγωγής υλικών από πρώτες ύλες. Αναπτύσσονται κατ’ αρχήν οι βασικές έννοιες της επιστήμης της χημικής κινητικής και ακολουθεί ο μαθηματικός χαρακτηρισμός των κινητικών συστημάτων, προκειμένου ο σπουδαστής να εξοικειωθεί με τις βασικές αρχές της κινητικής. Στη συνέχεια αναπτύσσεται η μεθοδολογία πραγματοποίησης κινητικής έρευνας στο εργαστήριο, δηλ. αναφέρονται οι πειραματικές τεχνικές στις κινητικές μελέτες, που είναι οι πειραματικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της εξέλιξης μιας αντίδρασης με το χρόνο. Ακολουθεί η ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων, δηλαδή οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, προκειμένου να προσδιοριστεί η εξίσωση ταχύτητας. Η ετερογενής κινητική εξετάζεται κατ’ αρχήν με την κατηγορία των καταλυτικών αντιδράσεων, όπου μελετάται το φαινόμενο της κατάλυσης από άποψη μηχανισμού, εκφράσεων ταχύτητας, και φυσικού χαρακτηρισμού ετερογενών καταλυτών. Η κινητική στερεού-ρευστού, που εξετάζεται στη συνέχεια, αφορά κατ’ εξοχήν τις διεργασίες της εξαγωγικής μεταλλουργίας, για την παραγωγή υλικών από την κατεργασία πρώτων υλών, και η οποία ανήκει στις ετερογενείς μη καταλυτικές αντιδράσεις στερεού-ρευστού, όπου, σε αντίθεση με τις καταλυτικές, το στερεό καταναλώνεται συμμετέχοντας στην αντίδραση. Αναπτύσσονται οι ιδιομορφίες στην έκφραση ταχύτητας των συστημάτων αυτών και οι επιδράσεις της γεωμετρίας του στερεού και των φαινομένων μεταφοράς στην κινητική αυτών των αντιδράσεων. Οι επιδράσεις αυτές εξετάζονται στα πλαίσια των κινητικών μοντέλων, που έχουν αναπτυχθεί για να περιγράψουν τον τρόπο αλληλεπίδρασης μεταξύ στερεού – ρευστού, την αλλαγή της εσωτερικής και εξωτερικής γεωμετρίας του στερεού αντιδρώντος, και οι διαφορικές εξισώσεις που τα συνοδεύουν, δίδουν λόγο για την επίδραση των φαινομένων μεταφοράς στην ταχύτητα. Αναφέρεται στη συνέχεια η εφαρμογή των ανωτέρω στα συστήματα της εξαγωγικής μεταλλουργίας, με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των πρώτων υλών, καθώς και η εφαρμογή της εργαστηριακής κινητικής στο σχεδιασμό των μεταλλουργικών αντιδραστήρων.
Οι φροντιστηριακές ασκήσεις που επιλύονται από πίνακα, αποτελούν εφαρμογή των μεθόδων που αναπτύσσονται στην θεωρία, για την ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων, και τον προσδιορισμό των κινητικών μεγεθών.
Σύνδεσμος στο Helios: https://helios.ntua.gr/course/view.php?id=2055
