Nazwa modułu: Teoria procesów metalurgicznych II Rok akademicki: 2030/2031 Kod: NME-2-101-MS-s Punkty ECTS: 4 Wydział: Metali Nieżelaznych Kierunek: Metalurgia Specjalność: Metale szlachetne w przemyśle i jubilerstwie Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 1 Strona www: Osoba odpowiedzialna: dr inż. Pacławski Krzysztof (paclaw@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: dr inż. Pacławski Krzysztof (paclaw@agh.edu.pl) Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 Student zna podstawowe definicje z zakresu kinetyki chemicznej. Posiada wiedzę na temat podstawowych mechanizmów reakcji. Zna postaci równań szybkości dla podstawowych schematów reakcji prostych i złożonych. Zna reguły zapisu równań szybkości etapów elementarnych reakcji złożonej. Zna metodologię analizy krzywych kinetycznych oraz sposobów wyznaczania stałych szybkości. Orientuje się w najważniejszych rodzajach metod stosowanych w pomiarach kinetycznych. Zna i rozumie wpływ podstawowych czynników wpływających na szybkość reakcji. Zna podstawy teoretyczne opisu kinetyki procesów w układach heterogenicznych. Orientuje się w zagadnieniach kinetycznych układów otwartych, przepływowych. ME2A_W02, ME2A_W01 Aktywność na zajęciach, Egzamin, Kolokwium, Udział w dyskusji, Wykonanie ćwiczeń Umiejętności 1 / 6
M_U001 Potrafi zaproponować metodę pomiaru kinetyki wybranego procesu chemicznego lub fizycznego. Interpretuje wyniki pomiarów kinetycznych w celu optymalizacji warunków prowadzenia procesu metalurgicznego. ME2A_U16, ME2A_U06, ME2A_U13 Aktywność na zajęciach, Egzamin, Kolokwium, Udział w dyskusji, Wykonanie ćwiczeń M_U002 Potrafi interpretować krzywe kinetyczne i wyznaczać stałą szybkości reakcji. Potrafi dobrać właściwy model kinetyczny do opisu kinetyki procesu w układzie heterogenicznym. ME2A_U01, ME2A_U06, ME2A_U13 Aktywność na zajęciach, Egzamin, Kolokwium, Udział w dyskusji, Wykonanie ćwiczeń Kompetencje społeczne M_K001 Wykazując przygotowanie teoretyczne angażuje się w dyskusję zespołu planującego eksperymenty kinetyczne. Potrafi pełnić rolę konsultanta w doborze metody pomiaru kinetyki danego procesu metalurgicznego. Potrafi współdziałać z zespołem w realizacji pomiarów kinetycznych. Na podstawie wyników pomiarów kinetycznych publicznie interpretuje wyniki, wyciąga wnioski i potrafi sugerować optymalne warunki niezbędne do wydajnego prowadzenia wybranego procesu metalurgicznego. ME2A_K05, ME2A_K02 Aktywność na zajęciach, Udział w dyskusji, Wykonanie ćwiczeń Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um seminaryjne praktyczne Inne terenowe E-learning Wiedza 2 / 6
M_W001 Umiejętności M_U001 M_U002 Student zna podstawowe definicje z zakresu kinetyki chemicznej. Posiada wiedzę na temat podstawowych mechanizmów reakcji. Zna postaci równań szybkości dla podstawowych schematów reakcji prostych i złożonych. Zna reguły zapisu równań szybkości etapów elementarnych reakcji złożonej. Zna metodologię analizy krzywych kinetycznych oraz sposobów wyznaczania stałych szybkości. Orientuje się w najważniejszych rodzajach metod stosowanych w pomiarach kinetycznych. Zna i rozumie wpływ podstawowych czynników wpływających na szybkość reakcji. Zna podstawy teoretyczne opisu kinetyki procesów w układach heterogenicznych. Orientuje się w zagadnieniach kinetycznych układów otwartych, przepływowych. Potrafi zaproponować metodę pomiaru kinetyki wybranego procesu chemicznego lub fizycznego. Interpretuje wyniki pomiarów kinetycznych w celu optymalizacji warunków prowadzenia procesu metalurgicznego. Potrafi interpretować krzywe kinetyczne i wyznaczać stałą szybkości reakcji. Potrafi dobrać właściwy model kinetyczny do opisu kinetyki procesu w układzie heterogenicznym. + - - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - Kompetencje społeczne 3 / 6
M_K001 Wykazując przygotowanie teoretyczne angażuje się w dyskusję zespołu planującego eksperymenty kinetyczne. Potrafi pełnić rolę konsultanta w doborze metody pomiaru kinetyki danego procesu metalurgicznego. Potrafi współdziałać z zespołem w realizacji pomiarów kinetycznych. Na podstawie wyników pomiarów kinetycznych publicznie interpretuje wyniki, wyciąga wnioski i potrafi sugerować optymalne warunki niezbędne do wydajnego prowadzenia wybranego procesu metalurgicznego. + - - - - - - - - - - Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład Wybrane zagadnienia kinetyki chemicznej 1. <strong>wprowadzenie do kinetyki chemicznej:</strong> Podstawowe aksjomaty i definicje (szybkość reakcji, stała szybkości reakcji, równanie szybkości reakcji, reakcja prosta, r. złożona, etap elementarny reakcji, kinetyczny mechanizm reakcji, cząsteczkowość, rząd reakcji). 2. <strong>kinetyka reakcji chemicznych w fazie wodnej i gazowej</strong>: Kinetyka reakcji prostych (reakcje 0, 1, 2 i 3 rzędu, reakcje w pobliżu stanu równowagi, czas połówkowy przemiany). Reakcje jednocząsteczkowe (mechanizm Lindemana- Hinshelwooda). Kinetyka reakcji złożonych (reakcje odwracalne, r. nieodwracalne, r. równoległe, r. następcze, etap limitujący, r. następczo-równoległe, przybliżenie do stanu stacjonarnego). Wpływ temperatury na kinetykę reakcji (równanie Arrheniusa, energia aktywacji reakcji prostych i złożonych). 3. <strong>kataliza i reakcje oscylujące:</strong> kataliza homogeniczna, autokataliza, reakcje oscylujące. Kinetyka reakcji katalitycznych (mechanizm Michaelisa-Menten). Kinetyka reakcji łańcuchowych (mechanizm, wybuch, reakcje fotochemiczne). 4. <strong>kinetyka reakcji polimeryzacji:</strong> polimeryzacja łańcuchowa i stopniowa. 5. <strong>metody pomiarów kinetyki reakcji chemicznych:</strong> metody relaksacyjne, przepływowe, zatrzymanego przepływu, itp. 6. <strong>dynamika reakcji molekularnych:</strong> Zderzenia reaktywne. Teoria zderzeń. Reakcje kontrolowane przez dyfuzję. Równanie bilansu materiałowego. Teoria kompleksu aktywnego (współrzędna reakcji, stan przejściowy. równanie Eyringa, parametry aktywacji aspekty termodynamiczne w kinetyce chemicznej, kinetyczny efekt solny). 7. <strong>kinetyka procesów na granicy fazowej:</strong> Procesy zachodzące na powierzchni ciał stałych. Wzrost powierzchni (rola defektów). Techniki i metody pomiaru kinetyki procesów na powierzchni ciał stałych (informacje ogólne). Adsorpcja chemiczna i fizyczna, Izotermy adsorpcji. Szybkość procesów powierzchniowych. Aktywność katalityczna powierzchni (przykłady reakcji katalitycznych). 8. <strong>procesy elektrodowe:</strong> (szybkość przeniesienia ładunku, 4 / 6
polaryzacja). Kinetyczne aspekty pracy ogniw paliwowych i akumulatorów. 9. <strong>kinetyczne aspekty w inżynierii reaktorów chemicznych:</strong> reaktory przepływowe, otwarte: okresowe, CSTR, PFR. Wykorzystanie wyników pomiarów kinetycznych w inżynierii reaktorów chemicznych zagadnienia podstawowe. 10. <strong>wstęp do projektowania heterogenicznych układów reakcyjnych:</strong> równanie szybkości dla reakcji heterogenicznych. Reakcje cząstek w przepływie. Podstawowe modele kinetyczne dla reakcji bez katalizy w układzie ciało stałe-ciecz: model progressive-conversion, model z niereagujacym jądrem, model kurczącego się jądra. Przykłady praktycznych zastosowań modeli. 11. <strong>kinetyka procesów w fazie stałej:</strong> wzrost kryształów, dyfuzja; przemiany fazowe w różnych materiałach. Ćwiczenia audytoryjne zadania rachunkowe 1. Zapis równań szybkości reakcji oraz szybkości zmian stężeń poszczególnych składników reakcji dla różnych schematów drogi reakcji, zarówno prostej jak też złożonej. 2. Analiza krzywych kinetycznych (metody graficzne wyznaczanie stałej szybkości reakcji metodą regresji liniowej oraz na podstawie analizy czasu połówkowego przemiany; metody analityczne obliczenia wartości stężeń, stałych szybkości z użyciem całkowych postaci równań kinetycznych). 3. Wyznaczanie parametrów aktywacji w równaniu Arrheniusa i Eyringa. 4. Zastosowanie przybliżenia stanu stacjonarnego w obliczeniach kinetycznych składników reakcji. 5. Wyznaczanie równania kinetycznego na podstawie danych kinetycznych. 6. Obliczanie stałej Michaelisa oraz szybkości maksymalnej dla schematu reakcji Michaelisa-Menten. 7. Obliczenia analityczne oraz komputerowe profili stężeniowych dla reakcji następczych, równoległych oraz następczo-równoległych. 8. Wyznaczanie stężenia maksymalnego w reakcjach następczych optymalizacja warunków reakcji na podstawie znajomości postaci całkowej równania całkowego. 9. Rozpoznawanie etapów reakcji łańcuchowych na podstawie podanych mechanizmów reakcji. 10. Reaktory okresowe i przepływowe (Batch, CSTR i PFR) obliczenia w projektowaniu geometrii reaktorów przepływowych dla równań szybkości reakcji różnych rzędów. Sposób obliczania oceny końcowej 1. Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń rachunkowych. 2. Przy zaliczeniach poszczególnych zajęć stosuje się następujące oceny: 91 100%: bardzo dobry (5.0) 81 90%: plus dobry (4.5) 71 80%: dobry (4.0) 61 70%: plus dostateczny (3.5) 50 60%: ostateczny (3.0) poniżej 50%: niedostateczny (2.0) 3. Ocena końcowa = 60%(ocena z egzaminu) + 40%(ocena z zaliczenia ćwiczeń rachunkowych) Wymagania wstępne i dodatkowe Nie podano wymagań wstępnych lub dodatkowych. 5 / 6
Zalecana literatura i pomoce naukowe 1. A. Molski: Wprowadzenie do kinetyki chemicznej, WNT, Warszawa 2001. 2. M.J. Pilling, P.W. Seakins: Oxford University Press, Reaction Kinetics, Oxford 2011. 3. P.L. Huston: Chemical Kinetics and Reaction Dynamics, Dover, Mineola-New York 2001. 4. P.W. Atkins: Chemia Fizyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001. 5. R.A. Alberty, R.J. Silbey: Physical Chemistry, John Wiley, 1995. 6. P.W. Atkins, C.A. Trapp, M.P. Cady, C. Giunta: Chemia Fizyczna. Zbiór zadań z rozwiązaniami, PWN, Warszawa 2001. 7. A. Kisza, P. Freundlich: Ćwiczenia rachunkowe z chemii fizycznej, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 2004. 8. O. Levenspiel: Chemical Reaction Engineering, Wiley 1998. 9. H.S. Fogler: Elements of Chemical Reaction Engineering, 4th ed., Prentice Hall PTR, 2005. 10. P. Barret: Kinetyka chemiczna w układach heterogenicznych, PWN, Warszawa 1979. Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu K. Pacławski, K. Fitzner: Kinetics of Gold (III) Chloride Complexes Reduction Using Sulfur(IV). Metallurgical and Materials Transactions B, 35B (2004) 1071-1085. K. Pacławski, K. Fitzner: Cationic Effect in the Redox Reaction Between [AuCl4]- and [HSO3]- Ions. Archives of Metallurgy and Materials, 50 (2005) 1003-1015. K. Pacławski, K.Fitzner: Kinetics of Reduction of Gold (III) Chloride Complexes Using H2O2. Metallurgical and Materials Transactions B, 37B (2006) 703-714. K. Pacławski, M. Wojnicki: Kinetics of the adsorption of gold (III) chloride complex ions onto activated carbon. Archives of Metallurgy and Materials, 54 (2009) 853-860. M. Luty-Błocho, K. Pacławski, W. Jaworski, B. Streszewski, K. Fitzner: Kinetic studies of gold nanoparticles formation in the batch and in the flow microreactor system. Progress in Colloid and Polymer Science, 138 (2011) 39-43. Informacje dodatkowe Brak Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Udział w ćwiczeniach audytoryjnych Przygotowanie do zajęć Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 30 godz 30 godz 30 godz 25 godz 2 godz 117 godz 4 ECTS 6 / 6