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Grado en Ingeniería Química Industrial

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Electroquímica Aplicada

Código asignatura
GIIQUI01-4-010
Curso
Cuarto
Temporalidad
Segundo Semestre
Materia
Química (M. Análisis Industrial)
Carácter
Optativa
Créditos
6
Itinerarios
  • Análisis Industrial
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Actividades
  • Prácticas de Aula/Semina (7 Hours)
  • Tutorías Grupales (2 Hours)
  • Clases Expositivas (49 Hours)
Guía docente

La asignatura de Electroquímica Aplicada (EA) se encuadra dentro de la materia de Química y de los módulos de Mención de Análisis Industrial y Mención de Materiales, conforme a la memoria de verificación del título.

Es bien conocida la importancia de la Electroquímica en un amplio rango de actividades que van desde la investigación fundamental con pequeños sistemas hasta la escala de producción industrial de las más variadas sustancias. Sin embargo, existe un claro déficit de la presencia de esta materia en los planes de estudio, tanto del área científica como tecnológica, en muchas universidades. La asignatura EA pretende ofrecer una visión general y unificada de esta disciplina partiendo de las bases formativas de los alumnos del grado de Ingeniería Química Industrial, y mostrando algunas de sus muchas aplicaciones a problemas tecnológicos clásicos o de vanguardia.

Por esta razón es imprescindible un primer bloque de contenidos en el que se traten los fundamentos que dan unificación a  este campo. Cualquiera que sea la escala del sistema electroquímico, será necesario comprender bien la físicoquímica de las disoluciones iónicas y la de los electrodos. Desde otro punto de vista, y también independiente de la escala, es necesario caracterizar los aspectos de equilibrio (corriente cero, Lección 1) y dinámicos (corriente en carga o descarga, Lección 2).

La asignatura dedicará el resto de lecciones a mostrar su carácter aplicado. Teniendo en cuenta que esta asignatura optativa es la única que se ofrece en dos menciones (Análisis Industrial y Materiales) se dedicará una lección a la Corrosión electroquímica de metales (celdas en descarga con cortocircuito). Una segunda lección aplicada se dedicará al análisis de los sistemas de almacenamiento de energía (Baterías electroquímicas), cuya trascendencia actual es claramente reconocida, y a una introducción a las  aplicaciones de escala industrial.

Según se recoge en la memoria de verificación del título, la asignatura Electroquímica Aplicada no  tiene impuesto ningún prerrequisito legal obligatorio que limite la matrícula. Sin embargo, es recomendable que los alumnos que se matriculen en ella dispongan  de conocimientos básicos de Química (adquiridos en Química de primer curso y Ampliación de Química de segundo), de Termodinámica  (adquiridos en Mecánica y Termodinámica de primer curso, en Ingeniería Térmica de segundo curso y en Termodinámica Química Aplicada a la Ingeniería de tercero), de Cinética Química (adquiridos en Cinética y Reactores Químicos  de tercero) y de Ciencia de Materiales (adquiridos en Ciencia de Materiales de segundo).

En la asignatura EA se trabajarán las competencias generales indicadas con la notación CGn  (n = 3, 5, 6, 7 y 15) en la memoria de verificación del título.

Así como la siguiente competencia específica común a la rama industrial:

CC3: Conocimientos de los fundamentos de ciencia, tecnología y química de materiales. Comprender la relación entre la microestructura, la síntesis o procesado y las propiedades de los materiales

Respecto de las competencias específicas del Grado de Ingeniería Química Industrial, los alumnos que superen la asignatura de EA desarrollarán partes de  las siguientes:

CQ1: Conocimientos sobre balances de materia y energía, biotecnología, transferencia de materia, operaciones de separación, ingeniería de la reacción química, diseño de reactores, y valorización y transformación de materias primas y recursos energéticos.

CQ2: Capacidad para el análisis, diseño, simulación y optimización de procesos y productos.

Lo que se concreta en que los estudiantes que aprueben esta asignatura habrán demostrado ser capaces de o habrán adquirido los siguientes resultados de aprendizaje:

REQ-1 Comprender los principios básicos unificadores de toda la Electroquímica (principios de iónica y electródica; de equilibrio y dinámicos) y distinguirlos de las técnicas experimentales y de los detalles propios de cada aplicación.

REQ-2 Aplicar los principios básicos para estimar y medir tiempos de vida de metales en servicio en entornos agresivos y para obtener una comprensión unificada de los métodos de lucha contra la corrosión electroquímica.

REQ-3 Aplicar los principios básicos al problema de la generación limpia de energía mediante baterías y celdas de combustible, comprobando que los rendimientos de la generación electroquímica de energía superan a los de las máquinas térmicas convencionales.

REQ-4 Aplicar los principios básicos para unificar diversos procesos electroquímicos industriales, con énfasis en aquellos presentes en la actividad industrial del entorno.

Las anteriores competencias y resultados de aprendizaje serán obtenidos a partir del siguiente programa de contenidos.

Lección 1.-  Electroquímica de Equilibrio.

Introducción: el ámbito de la Electroquímica. Sistemas electroquímicos. Termodinámica de disoluciones de electrolitos. Termodinámica de electrodos y de celdas. Potenciales de electrodo. Dispositivos electroquímicos: electrodos selectivos. Termodinámica de celdas Li-ion.

Lección 2.-  Electroquímica de No Equilibrio.

Introducción general al no equilibrio: sobrepotencial y procesos de electrodo. Ecuaciones acopladas para el transporte iónico en disoluciones diluidas. Migración iónica pura. Conducción electrónica en metales. Difusión en sistemas electroquímicos. Transferencia de carga. Control mixto transferencia-difusión. Relaciones corriente-voltaje para una celda galvánica. 

Lección 3.- Corrosión electroquímica.

Introducción: aspectos económicos y tipos de corrosión metálica por morfología (generalizada, localizada, galvánica, picadura, intergranular, SCC, corrosión fatiga, fragilización, etc) y mecanismo (electroquímica y de alta temperatura). Modelo de celdas de corrosión: potencial y corriente de corrosión. Identificación de zonas anódicas y catódicas en un metal. Termodinámica de la corrosión (aireación diferencial, criterio analítico de Nernst, diagramas de Pourbaix, limitaciones). Cinética de la corrosión: medida electroquímica de la velocidad de corrosión mediante ajuste a la teoría del potencial mixto (Wagner y Stern-Geary).  Cinética de la corrosión: interpretaciones mediante los diagramas de Evans. Pasivación. Prevención, inhibición y control de la corrosión.

Lección 4.-  Baterías electroquímicas y aplicaciones industriales de la Electroquímica.

Introducción: baterías y celdas de combustible comercializadas. Cálculo de características máximas o ideales (capacidades, energías y densidades) en sistemas comerciales. Medida de características reales    (Q, W, P) a través de curvas de descarga. Pulsos. Autodescarga. Curvas de carga a I cte (sobrecarga y recombinación, eficiencias). Otros modos de carga: carga rápida. Ciclos de carga y descarga:  efectos memoria y aleación en NiCad y mecanismos de envejecimiento en Li-ion. Combinaciones serie y paralelo.  Balances térmicos en Electroquímica. Rendimientos de celdas galvánicas y de combustible en la conversión de energía.

Descripción teórica de algunos procesos electroquímicos industriales (electrodeposición, acabados superficiales, electrosíntesis, etc), con énfasis en los parámetros de rendimiento.

Para la consecución de los resultados de aprendizaje  y competencias propuestos, se utilizarán diferentes metodologías docentes, todas ellas coherentes con lo establecido en la memoria de verificación del título:

a)    clases expositivas (CE): El profesor presentará y discutirá la materia objeto de estudio haciendo especial hincapié en los aspectos más novedosos o de especial complejidad, integrando tanto los aspectos teóricos como los ejemplos que faciliten el razonamiento y análisis de la materia expuesta. Ocasionalmente y sin previo aviso, los alumnos resolverán en clase, en pequeños grupos, cortos ejercicios (los entregables) o cuestiones relacionadas con la materia que el profesor acabe de exponer. Estos ejercicios permitirán evaluar la competencia de trabajo en equipo (CG15). Por ello, es muy recomendable la asistencia regular a dichas clases expositivas.

b)    clases de práctica de aula (PA): En estas clases se llevará a cabo la aplicación de los conocimientos que los estudiantes hayan adquirido en las clases expositivas y en su trabajo no presencial. Los estudiantes dispondrán con anterioridad de una serie de cuestiones o problemas que deberán, previamente, haber trabajado para proceder al análisis y discusión de los mismos en la pizarra. Ocasionalmente se podrán realizar cortas pruebas individuales al final de la sesión

c)    tutorías grupales (TG): Las sesiones se desarrollarán en grupos reducidos de alumnos en las que aclararán con el profesor sus dudas, y se estimulará el análisis y razonamiento crítico. Usualmente se propondrá un problema más completo que los de PA que requerirá planteamiento y solución en hojas de cálculo.

También, los alumnos contarán con las correspondientes tutorías académicas para hablar individualmente con el profesor. Se recomienda solicitar cita, por ejemplo mediante correo electrónico:   victorg@uniovi.es.

Para complementar el anterior escenario metodológico es preciso añadir una estimación de la programación temporal que se dedicará en cada bloque/lección  tanto a las actividades formativas presenciales como a las no presenciales. El siguiente cuadro estandarizado incluye esta dedicación estimada, expresada en horas.

TRABAJO PRESENCIAL

TRABAJO NO

PRESENCIAL

Temas

Horas totales

Clase Expositiva

Prácticas de aula /Seminarios/ Talleres

Prácticas de laboratorio /campo /aula de  informática/ aula de idiomas

Prácticas clínicas  hospitalarias

Tutorías grupales

Prácticas  Externas

Sesiones de Evaluación

Total

Trabajo grupo

Trabajo autónomo

Total

Lección 1

14

2

2h

2h

27

Lección 2

15

2

   27

Lección 3

10

2

18

Lección 4

10

1

18

Total

49

7

0

2

2

60

90

150

La siguiente tabla resume el sistema de evaluación que se empleará en la asignatura EA, que es conforme con lo establecido en la memoria de verificación.

Aspecto a evaluar

Criterios de evaluación

Instrumento de evaluación

Peso

Los resultados de aprendizaje ( EQ 1 a 4)  

Se valorará el grado de consecución de los resultados de aprendizaje.

Exámenes escritos con cuestiones y problemas

70% (35% cada parcial)

Los resultados de aprendizaje ( REQ 1 a 4)  

Se valorarán los conocimientos y habilidades demostradas al resolver problemas individualmente.

Defena de los ejercicios de PA.

Pruebas cortas.

10%

La competencia de Trabajo en equipo (CG15)

Se valorarán la participación activa, el trabajo en equipo, etc al resolver los entregables en clase CE y los ejercicios de las TG

Entregables de  equipo dentro de las CE y Trabajo en las TG

20%

Convocatoria ordinaria.  Se realizarán dos parciales, el primero sobre las lecciones 1 y 2 de principios y el segundo sobre las lecciones 3 y 4  de aplicación. Este segundo parcial coincidirá en fecha con el examen final ordinario.

Para presentarse al segundo parcial es necesario tener un mínimo de 4.0 en el primer parcial.

Para aprobar la asignatura en convocatoria ordinaria deben cumplirse dos condiciones:

(1) obtener un mínimo de 4. en el examen final (o promedio de ambos parciales), y

(2) obtener el 5.0 tras la ponderación indicada en la tabla.

Si no se obtiene el mínimo de 4.0 en el examen final (o promedio de ambos parciales), la nota final de la asignatura será un máximo de 4.

Convocatorias extraordinarias. De acuerdo con el reglamento de evaluación de los resultados de aprendizaje y de las competencias adquiridas por el alumnado de la Universidad de Oviedo (Artículo 6), para que el alumno pueda superar la asignatura en convocatorias extraordinariasse realizará un examen final escrito con toda la materia y peso del 100%. No se tendrá en cuenta el 20% de evaluación continua indicado en la tabla ni la posible existencia del primer parcial aprobado.

Evaluación diferenciada. De acuerdo con el artículo 7.2 del reglamento de evaluación de los resultados de aprendizaje de la Universidad de Oviedo, para aquellos alumnos que estén reconocidos como estudiantes a tiempo parcial por la Comisión de Gobierno del Centro, la evaluación se realizará mediante un examen final escrito con toda la materia y peso del 100%.

Como recurso básico de trabajo en el aula, el alumno puede disponer en el Campus Virtual de diferente material, como presentaciones y datos para seguir la exposición del profesor en clase y los enunciados de los problemas y tareas  a resolver.

Para llevar a cabo la tarea personal del estudiante se proponen los siguientes textos básicos:

  • ELECTROCHEMISTRY. Hamann, C.H., Hamnet,A., Vielstich,W., Wiley-VCH, 2nd Ed, 2007.   Completo y equilibrado entre principios y aplicaciones.
  • PHYSICAL CHEMISTRY. P. Atkins, J. de Paula, Oxford University Press,  8th ed, 2006.

Los capítulos 7 y 25 son un buen resumen de la electroquímica de equilibrio y dinámica.

  • FISICOQUÍMICA, I.N. Levine, editorial McGraw-Hill, 5ª edición, 2004. Formalismo de electroquímica de equilibrio muy completo.
  • Industrial Electrochemistry, Pletcher,D., Walsh, F., Chapman&Hall, 2nd Ed, 1990. Excelente obra cualitativa sobre electroquímica industrial. Muy interesante el primer capítulo de principios, y el capítulo 10 sobre corrosión

Como libros complementarios de consulta conviene tener en cuenta los siguientes textos:

  • Corrosión y degradación de materiales, Otero Huerta, Síntesis, 2ª Ed, 2012. Uno de los escasos manuales en castellano que tratan con amplitud la disciplina de la corrosión.
  • MODERN BATTERIES. AN INTRODUCTION TO ELECTROCHEMICAL POWER SOURCES., Vincent, C.A., Scrosati, B., Butterworth-Heinemann, 2nd Ed, 1997. Excelente texto sobre principios y descripción de baterías, como se espera de uno de los inventores de los sistemas de litio ion.
  • LINDEN´S Handbook of Batteries, Reddy, T.B. ed, McGraw-Hill, 4th Ed, 2010. Los capítulos de ciencia en ingeniería de baterías son muy completos.
  • Electrochemical engineering. Science and Technology in Chemical and Other Industries, Wendt, H., Kreysa, G., Springer, 1999. Complementa al Pletcher en la formulación  cuantitativa.
  • Principles of electrochemistry, Koryta, J., Dvořák, J., Kavan, L., 1993. Wiley. Más matemático que el Hamann.
  • Electrochemical Systems, Newman, J., Thomas-Alyea, K.E., 2004. John Wiley & Sons. Una biblia para los ingenieros electroquímicos.
  • Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. Bard, A.J., Faulkner, L.R., 2000. Wiley. Una biblia para los químicos electroanalíticos.
  • CURSO DE CINÉTICA ELECTROQUÍMICA. López Fonseca, J.M., 2018. Universidad de Oviedo.
  • PROBLEMAS DE CINÉTICA ELECTROQUÍMICA. López Fonseca, J.M., 2018. Universidad de Oviedo. Homenaje al profesor Fonseca. Incluye teoría y problemas sobre corrosion.