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: Fisicoquímica I y Laboratorio Página 1 de 9 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 Fisicoquímica I y Laboratorio Página 2 de 9 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. Fisicoquímica I y Laboratorio Página 3 de 9 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. Fisicoquímica I y Laboratorio Página 4 de 9 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. Fisicoquímica I y Laboratorio Página 5 de 9 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 Fisicoquímica I y Laboratorio Página 6 de 9 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 Página 7 de 9 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 Página 8 de 9 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) Página 9 de 9