Fisicoquímica I y Laboratorio Código

FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES
DEPARTAMENTO DE CIECNIAS QUÍMICAS
Código-Materia:
Requisito:
Programa – Semestre:
Período académico:
Intensidad semanal:
Créditos: 4 3(3 +1)
26006 – Fisicoquímica I y Laboratorio
Cálculo de varias variables (Cálculo CN), Física y Laboratorio
Biología, Química y Química Farmacéutica – Cuarto semestre
2016-2
4 horas + 3 de laboratorio
Descripción
El curso está dividido en 4 unidades o partes. En su primera parte el curso empieza con una
introducción a la termodinámica donde se ilustra la importancia de esta ciencia a la actual
sociedad tecnológica. Se trabajan los conceptos básicos en este campo (calor, temperatura,
trabajo, energía, entalpía, equilibrio térmico) antes de mirar a fondo las primeras dos leyes (Ley
Cero y la Primera Ley) de la termodinámica y sus aplicaciones. En la segunda parte se
consideran la Segunda y Tercera Ley de la termodinámica. Se trabajan los conceptos de la
entropía, energía libre de Gibbs y la Ley de Hess. Se estudia la teoría de motores (Ciclo de
Carnot) y sus aplicaciones prácticas. Se aprende sobre el uso de tablas termoquímicas para
calcular valores estándares de formación. Esta unidad termina con la descripción
termodinámica de reacciones químicas. En la tercera parte el curso se dedica a la
termodinámica de procesos de combustión cubriendo temas modernos de interés e importancia.
A escala macroscópica se estudian la fisicoquímica de la atmosfera, los combustibles a base de
petróleo y el tema del CO2 y el fenómeno del calentamiento global. Se termina la unidad con la
fisicoquímica del gas nitrógeno, el proceso de la fijación de nitrógeno y la obtención de
fertilizantes sintéticos. La Unidad final tiene dos enfoques: una introducción a los fenómenos de
transporte y una introducción a la cinética. En los fenómenos de transporte, se trabaja la teoría
de gradientes. Luego se estudia la difusión, el movimiento browniano y la presión osmótica. En
la introducción a la cinética, se estudian las velocidades de reacción, ordenes de reacción y
etapas limitantes. Se aplica la aproximación del estado estacionario y considera la catálisis
enzimática utilizando el modelo de Michaelis-Menten. Se termina este subunidad con una
introducción a la teoría de la estructura transicional y superficies de energía potencial.
Objetivos
La meta de este curso no es un tratamiento exclusivamente matemático-teórico de la
fisicoquímica sino más bien lograr una introducción sólida al tema, incluyendo estudios amplios
de las aplicaciones importantes y temas de alto impacto en nuestra sociedad tecnológica.
Durante el desarrollo del curso, el estudiante debe aprender el cómo y el por qué funcionan la
mayoría de los aparatos tecnológicos de su casa (coches, motores caseros, neveras,…). Se
busca despertar el interés de los futuros científicos por la fisicoquímica, mostrando la fuerte
relación entre las leyes de la termodinámica y sus aplicaciones tecnológicas y su poder para
explicar fenómenos de interés mundial. Un objetivo del curso es proporcionar los conceptos
básicos de la fisicoquímica a los estudiantes de otras disciplinas mientras los químicos y
farmacéuticos trabajan una base general sólida para estudios al futuro más al fondo.
Terminales:
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Al finalizar el semestre el estudiante estará en capacidad de tener una visión global de la
fisicoquímica en general. En especial, el estudiante deberá haber entendido el impacto
determinante de la termodinámica sobre nuestra sociedad tecnológica y además haber
adquirido la capacidad de pensar de manera lógica, critica y científica.
Específicos
De formación académica:
Unidad 1: Conceptos Básicos y Los Primeros 2 Leyes de la Termodinámica
 Describir los elementos de un sistema termodinámico
 Clasificar los sistemas termodinámicos en abiertos, cerrados y aislados.
 Describir el concepto de estado termodinámico y función de estado.
 Distinguir claramente calor y temperatura
 Emplear la descripción cinética para la presión y la temperatura de los gases.
 Relacionar las propiedades termométricas con la temperatura.
 Describir el equilibrio térmico en el contexto de la Ley Cero de la Termodinámica
 Diferenciar conducción, convección y radiación.
 Describir la energía interna de un sistema en el contexto de la Primera Ley de la
Termodinámica
 Calcular Calor y Trabajo en procesos termodinámicos reversibles.
 Relacionar Calor y Trabajo con el cambio en la energía interna de un sistema.
 Relacionar el concepto de capacidad calorífica con la estructura atómica de la materia.
 Describir los experimentos de Joule y de Joule-Thomson en el contexto de la
termodinámica. Describir las aplicaciones tecnológicas basadas en estos experimentos.
Unidad 2: La Segunda y Tercera Ley de la Termodinámica
 Relacionar el concepto de la imposibilidad de los móviles perpetuos con la segunda ley
de la termodinámica
 Emplear las leyes de la termodinámica para estudiar la limitación de la eficiencia de los
motores de combustión interna.
 Relacionar el ciclo de Carnot con la entropía
 Describir la entropía en términos estadísticos empleando la ecuación de Boltzmann
 Formular matemáticamente la segunda ley de la termodinámica y la desigualdad de
Clausius.
 Discutir la segunda ley de la termodinámica a nivel químico, físico y en su relación con el
diario vivir.
 Definir la energía libre de Gibbs en términos de variables termodinámicas previamente
introducidas.
 Describir los procesos endergónicos y exergónicos
 Relacionar el equilibrio químico con los principios termodinámicos.
 Introducir el potencial químico.
 Relacionar las funciones termodinámicas por medio de las relaciones de Maxwell
 Emplear las relaciones de Maxwell en el contexto formal de las ecuaciones de la
termodinámica
 Relacionar el concepto de ciclo termodinámico con la Ley de Hess y las reacciones
químicas.
 Emplear la Ley de Hess para calcular cambios en las propiedades termodinámicas de
las reacciones químicas.
 Definir estado estándar
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




Calcular valores estándares de formación: Δ H𝑓0 , ΔG𝑓0 y ΔS𝑓0 .
Describir el proceso de enfriamiento o calentamiento en términos de Cp.
Describir los métodos experimentales de la calorimetría.
Descripción las reacciones químicas utilizando la termodinámica.
Describir conceptos de la dinámica de las reacciones químicas (coordenada de reacción,
barrera de activación y superficie de energía potencial) en términos de la termodinámica.
Unidad 3: Temas de Alto Impacto en Torno de la Combustión
 Describir la ley de distribución barométrica en términos fisicoquímicos.
 Reconocer la importancia de las reacciones químicas atmosféricas para la biosfera
terrestre.
 Describir el impacto de la actividad humana en las capas externas atmosféricas.
 Calcular valores estándares de formación: Δ H𝑓0 , ΔG𝑓0 y ΔS𝑓0 .
 Describir en detalle la combustión y el impacto negativo de las emisiones de particulado.
 Relacionar las propiedades termodinámicas del CO2 y CH4 con sus efectos sobre el
calentamiento global
 Describir la termisorbción
 Emplear la termodinámica para el estudio de la fijación de Nitrógeno.
 Emplear las leyes de la termodinámica en la descripción del proceso de Haber-Bosch.
Unidad 4: Introducción al Fenómeno de Transporte y los Fundamentos de la Cinética
 Describir a nivel cualitativo los sistemas que no están en equilibrio
 Emplear el concepto físico matemático de flujo para describir los fenómenos de
transporte.
 Aplicar los conceptos de transporte a casos biológicos: muelle antigua y la ATP-sintasa.
 Describir física y matemáticamente los procesos de difusión empleando la teoría de los
gradientes y las Leyes de Fick.
 Relacionar la difusión con el fenómenos de viscosidad, la ecuación de Stokes-Einstein, y
el movimiento Browniano.
 Describir los fundamentos fisicoquímicos del fenómeno de la presión osmótica y su
relación con las membranas semipermeables.
 Relacionar la presión osmótica con aplicaciones como diálisis de la sangre,
desalinización de agua de mar.
 Describir a nivel fisicoquímico la membrana celular.
 Definir el orden de una reacción química
 Escribir las ecuaciones diferenciales de las reacciones químicas fundamentales de
acuerdo con el orden de la reacción y la constante de velocidad.
 Emplear métodos para determinar la vida media de las reacciones químicas.
 Describir reacciones químicas complejas en términos de mecanismos de reacción e
intermediarios.
 Emplear el concepto de etapa determinante de la velocidad en cálculos de la cinética
química
 Emplear la teoría del estado de transición para describir reacciones químicas
 Aplicar la cinética química a la catálisis enzimática
 Describir el efecto de la temperatura sobre la velocidad de una reacción química
 Relacionar la energía de activación con la ecuación de Arrhenius
 Ubicar el complejo activado en una superficie de energía potencial
 Relacionar la cinética química con la termodinámica a través de la ecuación de Eyring.
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
Emplear el concepto de coordenada de reacción y relacionarlo con el cambio en la
Entalpía y la Energía libre de Gibbs.
De formación en valores y capacidades:
Al terminar el curso cada estudiante habrá tenido la oportunidad de reflexionar sobre los
siguientes valores, así como de desarrollar estas capacidades:







La perseverancia y la autonomía, resolviendo los ejercicios propuestos en cada tema de
estudio.
La capacidad crítica para poner a prueba las teorías científicas a nivel teórico o
experimental.
La curiosidad intelectual y la capacidad de análisis, tratando de explicar los resultados
teóricos y experimentales y la relación entre estos, así como la aplicación o extensión
de los conceptos en otros campos científicos o tecnológicos.
La responsabilidad, mediante el cumplimiento en las fechas de entrega de los trabajos e
informes de laboratorio, cumplimiento de las normas de higiene y seguridad en el
laboratorio.
La honestidad, al reportar los resultados de la practica sin ninguna alteración
independiente de si el experimento funcionó o no.
El respeto por la naturaleza, evitando la contaminación ambiental al no verter en los
desagües los residuos de los experimentos.
La capacidad de trabajo bajo presión, ya que la práctica de laboratorio debe terminarse
en un tiempo determinado para poder reportar la totalidad de sus resultados.
Metodología
Los temas se desarrollarán durante el semestre siguiendo la metodología del aprendizaje
activo. Tal como está planificado en el programa del curso, al final de la clase el profesor asigna
las lecturas y tareas que el estudiante debe preparar para la siguiente clase. Al comienzo de la
clase el estudiante presentará una comprobación de lectura corta y/o entregará la tarea que le
haya sido asignada.
Actividades del estudiante
Antes de la clase:
El estudiante debe estudiar el material asignado para la clase. De ninguna manera se considera
que se ha preparado la clase solamente leyendo el material a la carrera, poco antes de entrar al
salón.
Durante la clase:
Participar activamente en las actividades de la clase de acuerdo con los temas desarrollados
durante la misma. Plantear las dudas que le quedaron durante su proceso de estudio del tema a
tratar.
Después de la clase:
Repasar el material y establecer las relaciones entre los temas tratados en la clase y el
conocimiento previamente adquirido. Resolver las tareas, preguntas, ejercicios y otras
actividades asignados por el profesor.
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Antes del laboratorio:
El estudiante debe estudiar el experimento asignado. De ninguna manera se considera que se
ha preparado el laboratorio solamente leyendo el material a la carrera.
Entrada al laboratorio:
El estudiante debe resolver un quiz corto de comprobación de lectura. No se puede participar en
el laboratorio sin esta evaluación previa.
Durante el laboratorio:
Participar en el experimento/los experimentos del día. Cumplir con todas normas de
comportamiento/buen práctica laboral/seguridad. En ninguno momento debe hacer algo que
expone a sí mismo o a sus compañeros del laboratorio al riesgo. Al fin de la sesión, el
estudiante debe entregar su informe y dejar su área de trabajo limpia y organizada.
Evaluación
La evaluación del curso tiene 2 componentes, uno teórico (70%) y otro del laboratorio (30%).
La nota teórica consiste de:
- Cuatro exámenes parciales @ 15 puntos cada uno
- 10 comprobaciones de preparación en forma de quiz no avisados @ 1 punto cada uno
- 10 tareas de cálculo @ 1 punto cada uno (cálculos de la monitoria no cuentan)
- Examen final acumulativo @ 20 puntos
Para un total de 100 puntos
La nota del laboratorio consiste de:
- Ocho informes de laboratorio @ 10 puntos cada uno
- Ocho comprobaciones de preparación en forma de quiz @ 1,5 puntos cada una
- Comportamiento y buena práctica laboral: 8 puntos
Para un total de 100 puntos
Comportamiento y buena práctica laboral: si el docente tiene que avisar un estudiante por no
cumplimiento de cualquier estándar de comportamiento y/o buena praxis laboral y/o limpieza y/o
asuntos de seguridad y/o cualquier otra cosa que afecta el bienestar del laboratorio, el
estudiante pierde un punto de este nota. El segundo aviso (cualquier razón, no necesariamente
lo mismo) en la misma sesión conlleva una pérdida de 2 puntos adicionales. Si llega al tercer
aviso en esta sesión (cualquier razón), el estudiante tiene que salir y pierde POR COMPLETO
la nota de su laboratorio (quiz e informe).
Nota Final:
Se calcula según: nota final = 0,7*(nota teórica) + 0,3*(nota laboratorio)
Bibliografía
Libro guía: El curso se base en el texto Levine, I.N. “Principios de la Fisicoquímica”, sexta
Edición, McGraw Hill Education ISBN: 978-607-15-0988-8.
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Para las aplicaciones tecnológicas modernas y los temas de alto impacto, se asigna en adelante
lecturas adicionales en forma de pdf, los cuales suministran el profesor y/o se puede sacar
fácilmente de la biblioteca/internet.
Prácticas de laboratorio
Laboratorio 1: Jugando un Entendimiento de las Leyes Fundamentales
Un conjunto de 6 experimentos sencillos que ilustran de manera cualitativa los
conceptos termodinámicos que se presentarán de manera cuantitativa al largo de
la clase. La meta: Jugar un entendimiento básico-instintivo-intuitivo de la
termodinámica.
Laboratorio 2: ¡Tu Entendimiento a la Prueba!
Un experimento de sorpresa diseñado a poner tu entendimiento de las leyes
fundamentales - y sobre todo, tu capacidad de aplicarlas - a la prueba. La meta:
Fomentar la habilidad del análisis crítico-científico y la capacidad de aplicar leyes
naturales para resolver un problema práctica.
Laboratorio 3: La Equivalencia de Calor y Trabajo Mecánico
Utilizando cosas sencillas, el estudiante construye un coche (juguete funcional) a
base de vapor y un motor de solenoide (mecánico-eléctrico) pequeño. Se debe
analizar el ambiente familiar y hace una liste de todas equipos comúnmente
encontradas que tiene base en este tecnología. La meta: Realizar que calor –
trabajo mecánico – trabajo eléctrico son inter-convertibles y que esto principio
forma el fundamento de nuestra sociedad tecnológica.
Laboratorio 4: Equivalencia entre Calor y Trabajo Eléctrico
Utilizando una fuente de poder y resistencias el estudiante puede determinar
experimentalmente la equivalencia entre trabajo eléctrico y calor.
Laboratorio 5: Mediación de Capacidades Caloríficas
Utilizando un calorímetro sencillo, se mide la capacidad calorífica de algunas
muestras de metales comunes (Pb, Al, Cu, Fe, Zn y/o Sn). Se compara los
resultados con datos conocidos y hace un análisis extensivo de fuentes de
errores en el propio equipo/método. La meta: Entender más sobre la primer Ley
de termodinámica y fomentar la capacidad de experimentación científico y
análisis crítico.
Laboratorio 6: Mediación de la Entalpía de Formación, Δ𝑯𝟎𝒇
Se investiga la reacción violenta y exotérmica de Mg + ½ O2 → MgO y plantea un
𝐻𝑓0 de este
reacción, lo cual es extremadamente difícil de hacer de manera directa. La meta:
Investigar la segunda Ley de Termodinámica e internalizar la diferencia entre
funciones del camino y funciones del estado. La meta: Realizar la utilidad de la
Ley de Hess en la investigación indirecta de fenómenos de poca accesibilidad
experimental o de alta demanda tecnológico.
Laboratorio 7: Mediación de la Viscosidad
El estudiante usando la ecuación de Stokes podrá determinar experimentalmente
la viscosidad de un líquido.
Laboratorio 8: Cinética de Oxidación de Etanol con Cromo (vi)
El estudiante siguiendo la reacción de oxidación de etanol con Cromo(VI)
por titulación podrá determinar experimentalmente la ley de velocidad.
Monitoria Voluntaria
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Cada segunda semana (en el horario del laboratorio) se ofrece una monitoria voluntaria
con enfoque en cálculos fisicoquímicas aplicadas y ayuda/soporte matemático.
Cronograma del curso
Fecha
Semana 1
Clase 1
Semana 1
Clase 2
Semana 2
Clase 1
Semana 2
Clase 2
Semana 3
Clase 1
Semana 3
Clase 2
Semana 4
Clase 1
Semana 4
Clase 2
Semana 5
Clase 1
Semana 5
Clase 2
Semana 6
Clase 1
Semana 6
Clase 2
Semana 7
Tema
Lectura Asignado
Laboratorio/Monitoria
Conceptos Básicos y las primeros 2 Leyes de la Termodinámica
Importancia y
Definiciones
Fundamentales de Levine 1.1-2;
la Termodinámica
HistoriaTermodin.pdf
El Calor, la
Monitoria 1: Repaso Matemática
Temperatura y la
Levine 1.3, 2.1, 2.3;
Unidades, Conversiones y
Energía Cinética
Calor&Temperatura.pdf
Cálculos Típicos Básicos
El Flujo del Calor en
la Materia y la Ley
Cero de la
LeyCero.pdf;
Termodinámica
TransferCalor.pdf
Primera Ley de la
Termodinámica y la
Laboratorio 1
Definición de la
Levine 2.4-5; 2.11;
Jugando un Entendimiento de los
Entalpía
LeyPrimera.pdf
Leyes Fundamentales
Capacidades
Levine 2.6; CapCal.pdf;
Caloríficas
TermodinDelMar.pdf
Expansión
Levine 2.7;
Monitoria 2: Repaso Matemática
Adiabático de Gases EfectoJouleThomson.pdf
Derivados Parciales
Aplicaciones de la
Levine 2.9-10; 2.12;
Primera Ley
Ley1_Apl.pdf
Laboratorio 2
¡Su Entendimiento a la Prueba!
Primero Parcial
Experimento de Sorpresa
Ciclo de Carnot y la
Existencia de la
Entropía
Conexión entre la
Entropía y el Orden
Juntando la Entalpía
y la Entropía
Jugando con las
Funcciones del
Estado U, H, S y G
Calculo de cambios
Fisicoquímica I y Laboratorio
Levine 3.1-3; Ley2.pdf;
Motores.pdf
Levine 3.4-8; Entropía.pdf
Levine 4.1-3;
EnergiaGibbs.pdf
Monitoria 3: Taller de Calculo
Resolviendo problemas
matemáticas con la materia
Laboratorio 3:
Levine 4.4;
Equivalencía Calor-Trabajo
TermodinCuerpoHumano.pdf Mecánico
Levine 4.5-6;
Monitoria 4: Taller de Calculo
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Clase 1
Semana 7
Clase 2
Semana 8
Clase 1
Semana 8
Clase 2
en la funciones de
estado
Potencial químico y
equilibrio material Levine 4.7-9;
Introducción al
Calorimetria
por asignar
Laboratorio 4:
Equivalencía Calor-Trabajo eléctrico
Segundo Parcial
Ley de Hess y
Semana 9 Tablas de Valores
Clase 1
Estándares
La Termodinámica
Semana 9 de Reacciones
Clase 2
Químicas
Semana 10 La Fisicoquímica de
Clase 1
la Atmosfera
Combustibles a
Base del Petróleo y
Semana 10 los Problemas que
Clase 2
Causan
Semana 11 La Fisicoquímica del
Dióxido de Carbono
Levine 5.1-5; Ley2_Aps.pdf
Levine 5.7-11;
LeyTercera.pdf
Atmosfera.pdf;
Ciclosbiogeoquímicos.pdf
Petroleo.pdf;
ContaminAtmosfera.pdf
EfectoInvernadero.pdf;
GreenhouseEffect.pdf
Fertilizantes.pdf;
Semana 12 La Fisicoquímica del Nitrogenasa.pdf;
Nitrógeno
HaberBosch.pdf
Tercer Parcial
Semana 13
Clase 1
Semana 13
Clase 2
Semana 14
Clase 1
Transporte 1: Los
Gradientes
Transporte 2: La
Difusión
Transporte 3:
Viscosidad
Transporte 4:
Membranas
Semana 14 Semipermeables y
Clase 2
la Presión Osmótica
Cinética 1:
Semana 15 Velocidades de
Clase 1
Reacción
Fisicoquímica I y Laboratorio
Resolviendo problemas
matemáticas con la matería
Levine 15.1-3;
Gradientes.pdf
Levine 15.4-5;
DifusiónAps.pdf
Levine 15.6-7;
Monitoria 5: Taller de Calculo
Resolviendo problemas matemáticas
con la materia
Laboratorio 5:
Mediación de Capacidades
Caloríficas
Monitoria 6: Taller de Calculo
Resolviendo problemas
matemáticas con la materia
Laboratorio 6:
Mediación de Entalpías de
Formación
Monitoria 7: Taller de Calculo
Resolviendo problemas
matemáticas con la materia
Levine 12.1-4;
membranas.pdf
Levine 16.1-3; 16.14;
DatacionRadioCarbono.pdf
Laboratorio 7: Viscosidad de un
liquido
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Cinética 2: El Orden
Semana 15 de la Reacción y
Clase 2
Etapas Limitantes
Cinética 3: La
Semana 16 Aproximación del
Clase 1
Estado Estacionar
Cinética 4:
Introducción a la
Teoría de la
Semana 16 Estructura
Clase 2
Transicional
11 mayo Cuarto Parcial
Fisicoquímica I y Laboratorio
Levine 16.4-6;
mecanismosquímicos.pdf
Levine 16.8; 16.15-17;
cineticaenzimatica.pdf
Monitoria 7: Repaso de la Materia
Resolviendo problemas
matemáticas con la materia
por asignar
Laboratorio 8: Cinética de la
oxidación de etanol con Cromo(VI)
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