Físicoquímica - UTN

CÁTEDRA
Q-FISICOQUÍMICA
RESPONSABLE DE LA CÁTEDRA
GIUDICE Carlos Alberto
CARRERA
INGENIERÍA QUIMICA
CARACTERÍSTICAS DE LA ASIGNATURA
PLAN DE ESTUDIOS
2005
ORDENANZA CSU. Nº
1028
OBLIGATORIA
ELECTIVA
ANUAL
PRIMER CUATRIMESTRE
SEGUNDO CUATRIMESTRE
NIVEL / AÑO
III
HORAS CÁTEDRA SEMANALES
4
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Comprender y aplicar la termodinámica de multi-componentes, la termodinámica
química y los fenómenos fisicoquímicos. Proyectarlos hacia su aplicación
industrial.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
UNIDAD TEMÁTICA 1: INTRODUCCIÓN A LA FISICOQUÍMICA.
Presentación de la materia. Discusión de su importancia. Vinculación horizontal y
vertical de la materia. Establecer la diferencia entre hipótesis y teoría. Aplicación
del método científico.
UNIDAD TEMÁTICA 2: PROPIEDADES DE LOS GASES.
Establecer la ley de Boyle, la de Charles y la de Gay Lussac, la hipótesis de
Avogadro y la ley general de los gases. Obtención de la constante de los gases.
Análisis del comportamiento no ideal de los gases. Definir camino libre medio y
diámetro de choque. Calcular la capacidad calorífica de moléculas poliatómicas.
UNIDAD TEMÁTICA 3: TERMODINÁMICA Y TERMOQUÍMICA.
Establecer la primera ley de la Termodinámica. Cuantificar cantidades
termodinámicas. Definir energía interna, trabajo y variaciones calóricas. Definir
calor de reacción y combustión. Analizar las leyes de la Termoquímica. Estudiar
procesos reversibles. Interpretar la ecuación de Kirchhoff para la evaluación del
efecto de la temperatura sobre el calor de reacción.
UNIDAD TEMÁTICA 4: SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Establecer la Segunda Ley de la Termodinámica. Definir el cambio de entropía
para un sistema de referencia. Establecer y justificar la desigualdad de Clausius, y
demostrar que los cambios espontáneos van acompañados de un aumento de
entropía. Establecer y utilizar una expresión para la entropía de una transición de
fase. Especificar el ciclo de Carnot. Calcular el cambio de entropía en un proceso
irreversible. Establecer la ecuación de Clausius-Clapeyron. Definir la función de
Helmholtz y la función de Gibbs.
UNIDAD TEMÁTICA 5: LICUACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS.
Definir y explicar el significado de presión de vapor. Determinar las constantes
críticas. Establecer la ecuación de van der Waals. Definir la ley de los estados
correspondientes y los factores de compresibilidad. Definir tensión superficial e
interfacial. Relacionar cambios en la función de Helmholtz con cambios en el área
superficial. Realizar estudios reológicos.
UNIDAD TEMÁTICA 6: SOLUCIONES DILUIDAS.
Establecer la ley de Raoult. Establecer la ley de Henry para la presión parcial de
un soluto y utilizarla para deducir las solubilidades de gases. Deducir expresiones
para el aumento de presión de vapor y el descenso del punto de congelación de
una disolución ideal. Explicar los fundamentos de la ebulloscopía y crioscopía.
Explicar el término propiedades coligativas y dar ejemplos de ellas. Definir presión
osmótica, deducir la ecuación de van’t Hoof y explicar los fundamentos de la
osmometría. Escribir y justificar una expresión para el potencial químico de un
soluto, definir su actividad y su coeficiente de actividad; explicar cómo se puede
medir. Definir los estados “standard” para los componentes de disoluciones
ideales y reales.
UNIDAD TEMÁTICA 7: ENERGÍA LIBRE Y EQUILIBRIO QUÍMICO.
Deducir la condición de equilibrio químico a partir de la función de Gibbs. Definir la
constante de equilibrio de una reacción. Establecer el principio de Le Chatelier y
justificarlo para cambios de presión y temperatura. Deducir y utilizar la isocora de
van’t Hoof para analizar la dependencia de la constante de equilibrio de la
temperatura. Establecer la tercera ley de la Termodinámica. Determinar la
entropía por mediciones de temperatura.
UNIDAD TEMÁTICA 8: EQUILIBRIO DE FASES.
Establecer y deducir la regla de las fases. Aplicar la regla de las fases a sistemas
de un componente. Interpretar diagramas de fases líquido-líquido. Describir la
destilación de líquidos parcialmente miscibles en función de diagramas de fases.
Interpretar los diagramas de fases líquido-sólido y explicar el término eutéctico.
Interpretar los diagramas de tres componentes para líquidos parcialmente
miscibles y para disoluciones de dos sales.
UNIDAD TEMÁTICA 9: CONDUCTANCIA DE ELECTROLITOS.
Interpretar las leyes de Faraday. Analizar el fenómeno de la migración de iones y
cuantificarlo. Explicar la teoría de la atracción interiónica. Medición de la
conductancia en electrolitos. Explicar la ecuación de Onsager. Analizar casos de
disociación incompleta. Interpretar el significado del grado de disociación.
Determinación de la conductancia independiente de los iones.
UNIDAD TEMÁTICA 10: FUERZA ELECTROMOTRIZ.
Explicar los términos pila galvánica y pila electrolítica; definir cátodo y ánodo.
Escribir una expresión para el potencial electroquímico de un ion. Deducir y
utilizar una expresión para la diferencia de potencial en un electrodo redox.
Describir la formación de un potencial de unión líquida. Deducir y utilizar una
expresión para las diferencias de potencial a través de una membrana. Definir la
FEM de una pila, explicar la forma de medirla y relacionarla con la constante de
equilibrio de la reacción. Utilizar la serie electroquímica. Celdas electrolíticas:
sobrepotenciales.
UNIDAD TEMÁTICA 11: EQUILIBRIO EN ELECTROLITOS.
Definir la actividad y el coeficiente de actividad medio de iones en solución.
Describir el fundamento físico de la teoría de Debye-Hückel para disoluciones
iónicas; explicar la formación y la función de la atmósfera iónica en la
determinación de los coeficientes de actividad. Expresión de Debye en función de
la fuerza iónica de una disolución y explicación de sus propiedades.
UNIDAD TEMÁTICA 12: CINÉTICA QUÍMICA HOMOGÉNEA.
Establecer las formas de clasificar las reacciones químicas. Definir orden de una
reacción. Definir la molecularidad de una reacción. Catálisis.
UNIDAD TEMÁTICA 13: FENÓMENOS DE SUPERFICIE.
Definir adsorción y adsorbentes. Examinar los fenómenos que acompañan la
adsorción de los gases. Diferenciar a la adsorción física de la adsorción química.
Establecer la isoterma de Langmuir. Propiedades de los coloides.
CONTENIDOS
CONTENIDOS SINTÉTICOS
Fuerzas intermoleculares. Sistemas multicomponentes y equilibrio de fases.
Mezclas y soluciones, funciones parciales molares. Termodinámica de las
reacciones químicas y equilibrio químico. Cinética química homogénea.
Electroquímica. Fenómenos de superficie.
CONTENIDOS ANALÍTICOS
UNIDAD TEMÁTICA 1: INTRODUCCIÓN A LA FISICOQUÍMICA.
Naturaleza de los problemas. Método científico. Hipótesis y teoría. Relación de la
fisicoquímica con otras ciencias.
UNIDAD TEMÁTICA 2: PROPIEDADES DE LOS GASES.
Leyes de los gases. Teoría cinética. Capacidad calorífica. Gases reales.
UNIDAD TEMÁTICA 3: TERMODINÁMICA Y TERMOQUÍMICA.
Primera ley de la termodinámica. Leyes de la termoquímica. Efecto de la
temperatura sobre el calor de reacción: ecuación de Kirchhoff.
UNIDAD TEMÁTICA 4: SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Entropía. Funciones energía libre y trabajo máximo. Potencial químico. Fases en
equilibrio: ecuación de Claussius -Clapeyron. Ecuación de Gibbs-Helmholtz.
UNIDAD TEMÁTICA 5: LICUACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS.
Licuación de gases. Presión de vapor y vaporización. Propiedades físicas de los
líquidos, fenómenos de superficie: tensión superficial, interfasial y viscosidad.
UNIDAD TEMÁTICA 6: SOLUCIONES DILUIDAS.
Descenso de la presión de vapor. Elevación del punto de ebullición. Descenso del
punto de congelación. Ósmosis y presión osmótica. Soluciones ideales y no
ideales.
UNIDAD TEMÁTICA 7: ENERGÍA LIBRE Y EQUILIBRIO QUÍMICO.
Constantes de equilibrio. Equilibrios homogéneos en sistemas gaseosos y en
sistemas líquidos. Equilibrios químicos heterogéneos. Temperatura y equilibrio.
Variaciones de energía libre. Entropía y energía libre.
UNIDAD TEMÁTICA 8: EQUILIBRIO DE FASES.
Regla de las fases. Soluciones de gases en líquidos. Mezclas de dos líquidos.
Sistemas gas-sólido. Sistemas sólido-líquido. Sistemas de tres componentes.
Multicomponentes.
UNIDAD TEMÁTICA 9: CONDUCTANCIA DE ELECTROLITOS.
Leyes de la electrólisis. Migración de iones: número de transporte. Conductancia
equivalente. Teoría de la atracción interiónica. Ecuación de Onsager. Grado de
disociación. Conductancia independiente de los iones. Movilidad iónica.
UNIDAD TEMÁTICA 10: FUERZA ELECTROMOTRIZ.
Elementos galvánicos. Variación de energía libre en pilas. Potencial de electrodos
reversibles. Pilas de concentración. Celdas electroquímicas: descarga de iones.
Curvas de polarización. Sobrepotenciales.
UNIDAD TEMÁTICA 11: EQUILIBRIO EN ELECTROLITOS.
Constantes de equilibrio de ionización. Coeficientes de actividad media de los
electrolitos fuertes. Fuerza iónica. Teoría de Debye-Hückel y Ley Límite.
Solubilidad y coeficiente de actividad.
UNIDAD TEMÁTICA 12: CINÉTICA QUÍMICA HOMOGÉNEA.
Orden de reacción. Reacciones en etapas. Catálisis.
UNIDAD TEMÁTICA 13: FENÓMENOS DE SUPERFICIE.
Adsorción. Tipos de adsorción. Isoterma de Langmuir y de van der Waals.
Coloides.
BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFÍA OBLIGATORIA
TÍTULO
AUTORES
EDITORIAL
AÑO DE
EDICIÓN
EJEMPLARES
DISPONIBLES
Química física
Atkins, C.
Adisson
Wesley
1999
5
Elementos de
Química Física
Glasstone, S;
Lewis, D.
El Ateneo
1984
10
Fisicoquímica
Castellán, G.
Addison
Wesley
1987
4
Química Física
Barrow, G. M.
Reverté
1998
4
Termodinámica
Química de los
Procesos
Irreversibles
CriadoSancho, M.;
CasasVázquez, J.
Addison Wesley
1997
6
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA
TÍTULO
AUTORES
EDITORIAL
AÑO DE
EDICIÓN
EJEMPLARES
DISPONIBLES
Fisicoquímica
Levine, I.
Mc. GrawHill
1991
4
Química Física
Experimental
Palmer W.G.
Eudeba
1966
Termodinámica
Química de los
Procesos
Irreversibles
CriadoSancho, M.;
CasasVázquez, J.
Addison Wesley
1997
1
6
FORMACIÓN PRÁCTICA
FORMACIÓN EXPERIMENTAL: 10 HS
RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE INGENIERÍA: -
ACTIVIDADES DE PROYECTO Y DISEÑO: -
ARTICULACIÓN CON OTRAS ASIGNATURAS
ASIGNATURAS CON QUE SE VINCULA
Toma:
De ANÁLISIS MATEMÁTICO I Y II y de ÁLGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA
herramientas matemáticas, algebraicas y trigonométricas; de QUÍMICA
GENERAL Y QUÍMICA INORGÁNICA características de los elementos y
procesos químicos; de FÍSICA I Y II conceptos de mecánica, cinemática,
termodinámica y electricidad; de INTEGRACIÓN I conceptos para la integración
de conocimientos y correcta presentación de informes; de INTEGRACIÓN II
conceptos integradores y de balances de masa y energía; de TERMODINÁMICA
conceptos básicos para la evolución de procesos en el campo de la Ingeniería
Química; de INTEGRACIÓN III conceptos de procesos y operaciones unitarias.
Provee:
A INTEGRACIÓN IV conceptos relacionados a procesos de Ingeniería Química; a
OPERACIONES UNITARIAS I conceptos de sólidos y fluidos; a OPERACIONES
UNITARIAS II conceptos de sólidos, fluidos y transferencia de calor; a
TECNOLOGÍA DE LA ENERGÍA TÉRMICA conceptos relacionados a la
termodinámica y transferencia de calor; a CORROSIÓN METÁLICA Y
PROTECCIÓN y ELECTROQUÍMICA INDUSTRIAL conceptos de soluciones
electrolíticas, conductancia de los electrolitos, electrólisis y fuerza electromotriz; a
PROTECCIÓN DE MATERIALES conceptos de soluciones y fenómenos de
superficie; a INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS E INGENIERÍA DE
LAS REACCIONES QUÍMICAS AVANZADAS conceptos de equilibrio químico,
cinética de las reacciones reversibles e irreversibles y potencial químico;
BIOTECNOLOGÍA conceptos de energía interna, entalpía, energía libre de
procesos y termoquímica aplicada; QUÍMICA ANALÍTICA APLICADA conceptos
de soluciones electrolíticas, equilibrio químico, conductancia de los electrolitos,
electrólisis y fuerza electromotriz; MATERIALES CERÁMICOS Y POLÍMEROS
conceptos de equilibrio químico, cinética de las reacciones reversibles e
irreversibles, potencial químico, energía interna, entalpía, energía libre de
procesos y termoquímica aplicada.
CARACTERÍSTICAS DE LA ACTIVIDAD CURRICULAR
DESCRIPCIÓN
Dictado de clases teóricas y seminarios por parte de los docentes de la Cátedra
(tiza y pizarrón); trabajos prácticos de laboratorio, con entrega previa de guías
impresas y aprobación de conceptos básicos.
MODALIDAD DE LA ENSEÑANZA
Los docentes realizan clases expositivas de la totalidad de los temas y seminarios
con activa participación de los alumnos. Los trabajos de laboratorio se desarrollan
en el CIDEPINT, en el marco del Convenio con la UTN-FRLP (a partir de 2000).
EVALUACIÓN
Dos exámenes parciales y sus respectivos recuperatorios, en el horario de la
Cátedra; estos deben ser aprobados cuali y cualintativamente. En forma previa a
cada evaluación, los alumnos deben entregar la carpeta de seminarios y trabajos
de laboratorio. Evaluación final.
ESTRUCTURA DE LA CÁTEDRA
1. RESPONSABLE DE CÁTEDRA: GIUDICE Carlos Alberto
2. ESTRUCTURA DOCENTE
- PROFESOR: GIUDICE Carlos Alberto
- AUXILIAR: CANOSA Guadalupe
3. NÚMERO DE ALUMNOS POR COMISIÓN: 16
- PARA ACTIVIDADES TEÓRICAS: 16
- PARA ACTIVIDADES PRÁCTICAS (seminarios): 16
- PARA FORMACIÓN EXPERIMENTAL (prácticas de laboratorio): 5/6
- PARA PROBLEMAS DE INGENIERÍA: - PARA PROYECTO Y DISEÑO: -
CRONOGRAMA
UNIDAD TEMÁTICA
ACTIVIDADES
TIEMPO
Hasta la
semana:
U. 1 Introducción a la fisicoquímica
Teoría
Seminario I
U. 2 Propiedades de los gases
Teoría
Teoría cinética
Teoría
Teoría
Gases reales
Seminario II
U. 3 Primera Ley de la Termodinámica Teoría
Leyes de la Termoquímica
Teoría
Teoría
Ecuación de Kirchooff
Seminario III
Seminario IV
U. 4 Segunda Ley de la Termodinámica Teoría
Entropía
Teoría
Energía libre y trabajo máximo
Teoría
Ecuación de Clausius Clapeyron
Teoría
Teoría
Ecuación de Gibbs Helmholtz
Seminario V
U. 5 Licuación de los gases
Teoría
Presión de vapor y vaporización
Teoría
Propiedades de los líquidos
Teoría
Seminario VI
Práctica de viscosimetría
Práctica de tensión superficial
Ensayos reológicos
U. 6 Soluciones diluidas
Teoría
Propiedades coligativas
Teoría
Ósmosis y presión osmótica
Teoría
Teoría
Soluciones ideales y no ideales
Seminario VII
Unidades 1 a 6
Consultas
Primer parcial
Primera, segunda y tercera fecha
Análisis
Discusión de temas de parciales
U. 7 Energía libre y equilibrio químico
Teoría
Temperatura y equilibrio
Teoría
Entropía y energía libre
Teoría
Seminario VIII
Seminario IX
0,25
0,50
0,75
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,25
3,75
4,25
4,50
5,00
5,50
5,75
6,00
6,50
6,75
7,00
7,25
7,75
8,50
9,25
10,00
10,25
10,75
11,00
11,25
11,75
12,25
12,75
13,25
13,75
14.25
14,75
15,25
15,75
U. 8 Equilibrio de fases
Teoría
Regla de las fases
Teoría
Sistemas gas/líquido y líquido/líquido
Teoría
Sistemas gas/sólido y sólido/líquido Teoría
Teoría
Sistemas de tres componentes
Seminarios X
Seminario XI
U 9 Conductancia de los electrolitos
Teoría
Leyes de la electrólisis
Teoría
Número de transporte
Teoría
Conductancia equivalente
Teoría
Ecuación de Onsager
Teoría
Teoría
Movilidad iónica
Seminario XII
U.10 Fuerza electromotriz
Teoría
Energía libre y pilas
Teoría
Potencial de Elec.-trodos
Teoría
Pilas de concentración
Teoría
Descarga de iones
Teoría
Curvas de polarización
Teoría
Teoría
Sobretensión
Seminario XIII
Seminario XIV
U. 11 Equilibrio en electrolitos
Teoría
Coeficientes de actividad
Teoría
Fuerza iónica
Teoría
Teoría de Debye-Huckel
Teoría
Teoría
Solubilidad y coeficientes
Seminario XV
actividad
U.12 Cinética química homogénea
Teoría
Clasificación de las reacciones
Teoría
Orden de reacción
Teoría
Catálisis
Teoría
U.13 Fenómenos de superficie
Teoría
Adsorción e isotermas
Teoría
Teoría
Coloides
Unidades 7 a 13
Consultas
Segundo parcial
Primera, segunda y tercera fecha
16,00
16,50
17,00
17,50
18,00
18,50
19,00
19,50
19,75
20,00
20,50
21,00
21,25
21,75
22,00
22,25
22,50
23,00
23,25
23,50
23,75
24,25
24,75
25,25
25,75
26,00
26,25
26,50
27,00
28,50
28,75
29,00
29,50
30,00
30,25
30,50
31,00
32,00