Q00841. FISICOQUIMICA I.
(3-0-8. Requisito: Haber aprobado Q00811. 4 LCQ).
Equivalencia: Q95841.
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SISTEMA ITESM
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Q00841. FISICOQUIMICA I.
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OBJETIVOS GENERALES DE LA MATERIA
Analizar la naturaleza de la materia, a través de los conceptos básicos de la química y de la física aplicada al estudio del mundo microscópico. Analizar los estados de agregación de la materia, su conducta y modelos que lo explican. Aplicar las leyes de la termodinámica a los procesos químicos homogéneos y heterogéneos. Las disoluciones, los electrodos y los procesos electroquímicos. Entender el comportamiento de las mezclas de compuestos en sus tres estados y los fenómenos de transporte en fase gas y líquida.
TEMAS Y SUBTEMAS DEL CURSO
1. La naturaleza de la materia: conceptos básicos en el estudio de la físico- química.
1.1 Introducción al estudio de la fisicoquímica y su relación con otras áreas de la química.
1.2 El mundo microscópico: reglas cuánticas, transiciones, grupos de moléculas, la distribución de Boltzmann, equipartición y asociación de átomos y moléculas.
1.3 Los estados de la materia: sólido, líquido, disoluciones, gaseoso, la teoría cinética y transformaciones de la materia.
1.4 Fuerza, presión y energía. Sistemas de unidades.
2. El estado gaseoso y sus propiedades.
2.1 Introducción al estudio del estado gaseoso.
2.2 Ecuaciones de estado y el gas ideal: presión, temperatura, y las leyes de los gases ideales de Boyle, Gay Lussac y Charles, Avogadro y ley general del estado gaseoso.
2.3 Leyes de las mezclas de gases ideales: Dalton, Amagat y Graham.
2.4 Gases reales, imperfecciones moleculares y la ecuación de Van Der Waals y otras ecuaciones de gases reales. Constantes críticas y la ley del estado correspondiente.
3. Moléculas en movimiento: teoría cinética de los gases
3.1 Cálculos básicos
3.2 Colisiones
3.3 Propiedades de transporte
4. Termodinámica.
4.1 Introducción al estudio de la termodinámica: calor, trabajo y conservación de la energía.
4.2 Conceptos básicos de la termodinámica, la primera ley, cambios infinitecimales.
4.3 El trabajo, trabajo mecánico, trabajo de expansión y compresión y expansión libre, expansión contra una presión constante y expansión reversible.
4.4 El calor, capacidad calorífica, entalpía, inventario y la relación entre el calor y el tiempo.
5. Primera Ley de la Termodinámica.
5.1 Funciones de estado y la primera ley de la termodinámica, diferenciales exactas e inexactas, los cambios de la energía interna.
5.2 El manejo de la primera ley, dependencia de la energía interna de la temperatura, dependencia de la entalpia de la temperatura, el efecto Joule-thomson, la relación de Cv y Cp.
5.3 El trabajo en una expansión adiabática, casos especiales, expansión adiabática reversible e irreversible.
6. Termoquímica.
6.1 Introducción al estudio de la termoquímica, reacciones exotérmicas y endotérmicas, ecuaciones termoquímicas y los combustibles.
6.2 El calor en las reacciones químicas, la entalpía de reacción, cambios de entalpía estándar.
6.3 Leyes de la termoquímica y dependencia de la entalpía de la temperatura.
6.4 Las mediciones calorimétricas y las entalpías de cambios físicos y químicos. Entalpía de solución y dilución.
7. Segunda Ley de la Termodinámica.
7.1 La segunda ley de la termodinámica y los cambios químicos.
7.2 La entropía y el desorden, los cambios de entropía en los sistemas y en el universo.
7.3 Los cambios de entropía en los alrededores en una transición de fase y en un proceso irreversible.
7.4 Los ciclos termodinámicos y el ciclo de Carnot.
7.5 Las funciones de Helmholtz y de Gibbs y el trabajo máximo.
7.6 La tercera ley de la termodinámica, la entropía según la tercera ley y funciones de Gibbs molares estándar.
8. El potencial químico.
8.1 La combinación de la primera y segunda ley de la termodinámica y las diferentes formas de desarrollar la ecuación fundamental.
8.2 Las propiedades de la función de Gibbs y su dependencia de la temperatura y de la presión.
8.3 El potencial químico de un gas real y de un gas ideal, la fugacidad y su medición.
8.4 Los sistemas abiertos y los cambios de composición.
9. Cambios de estado de sustancias puras
9.1 Las transformacions físicas y la estabilidad de las fases.
9.2 Equilibrio de fases y diagrama de fases: sólido-líquido, líquido-vapor, sólido-vapor y sólido-líquido-vapor.
9.3 Los cuatro sistemas reales.
9.4 La clasificación de las transiciones de fase.
9.5 La refrigeración y las bombas de calor.
9.6 La región entre las fases: la interfase, la tensión superficial, burbujas, cavidades, gotas y acción capilar.
10. Cambios de estado de mezclas simples.
10.1 Las magnitudes molares parciales, volumen molar parcial y función molar parcial de Gibbs.
10.2 Las funciones termodinámicas de las mezclas: gases ideales y mezclas líquidas.
10.3 Las propiedades coligativas: presión de vapor, elevación del punto de ebullición, descenso del punto de congelación, solubilidad y ósmosis.
10.4 Las mezclas de líquidos volátiles: diagramas, destilación, azeótropos y líquidos inmiscibles.
10.5 Las disoluciones reales y sus actividades: el disolvente y el soluto.
11. Cambios de estado y la regla de las fases.
11.1 La regla de las fases, su deducción y el significado de fase y de componente.
11.2 Sistemas de un componente: diagramas de gases a baja y alta presión.
11.3 Sistemas de dos componentes: diagramas de fases de líquido-líquido, líquidos parcialmente miscibles, sólido-líquido, sistemas reactivos y purificación por zonas.
11.4 Sistemas de tres componentes: diagramas triangulares, líquidos parcialmente miscibles y el efecto de las sales agregadas.
12. Moléculas en movimiento: transporte de iones y difusión molecular
12.1 Transporte iónico
12.2 Difusión y transporte
12.3 Difusión
OBJETIVOS ESPECIFICOS DE APRENDIZAJE POR TEMA
1. La naturaleza de la materia: conceptos básicos en el estudio de la físico- química.
1.1 Explicar porqué el tamaño relativo de los átomos y moléculas es muy pequeño.
1.2 Describir el efecto de la cuantización de la energía de los movimientos moleculares de traslación, rotación y vibración.
1.3 Comprender que las transiciones entre niveles de energía electrónica da lugar a líneas espectrales.
1.4 Utilizar correctamente los sistemas de unidades, principalmente el sistema internacional.
1.5 Conocer los conceptos básicos de la química y los estados de la materia.
1.6 Establecer la distribución de Boltzmann y la distribución de Maxwell- Boltzmann de las velocidades moleculares.
1.7 Aplicar el teorema de equipartición y utilizarlo para cálculos de energías medias de distintos modos de movimiento.
1.8 Conocer lo que es un gas ideal, gas real y la teoría cinética de los gases.
1.9 Explicar la importancia de las leyes de la termodinámica en las transformaciones químicas.
1.10 Conocer lo que es la ecuación de Arrhenius y su importancia en el estudio de la velocidad de las reacciones.
2. El estado gaseoso y sus propiedades.
2.1 Explicar los métodos de medición de la presión y de la temperatura.
2.2 Definir la ley cero de la termodinámica y explicar su importancia.
2.3 Establecer las leyes de los gases ideales: Boyle, Gay-Lussac, Charles, Avogadro y la del estado gaseoso del gas ideal.
2.4 Establecer las leyes de las mezclas de gases ideales: Dalton, Amagat y Graham.
2.5 Definir qué es un gas real y en qué difieren con los gases ideales.
2.6 Escribir las diferentes ecuaciones de los gases reales.
2.7 Justificar la validez de la ecuación de Van der Waals y obtener la relación de sus constantes críticas con las constantes de la ecuación de Van der Waals.
2.8 Construir las gráficas de las isotermas de un gas ideal, real y de Van der Waals y determinar sus constantes reducidas.
2.9 Establecer el principio de estado correspondiente y utilizar la gráfica de Z vs. presión reducida.
2.10 Resolver problemas relacionados con la unidad.
3. Moléculas de movimiento: teoría cinética de los gases
3.1 Especificar el modelo de la teoría cinética de un gas ideal y utilizarla para calcular la
presión ejercida.
3.2 Definir el valor medio de una distribución discreta y continua.
3.3 Deducir y utilizar la distribución de velocidades de Maxwell-Boltzmann.
3.4 Calcular la velocidad: media, v.c.m. y la más probable de las partículas de un gas.
3.5 Definir la sección transversal de colisión, calcular la frecuencia de colisión y el recorrido
libre medio de las partículas.
3.6 Calcular la frecuencia de colisiones con una superficie.
3.7 Explicar el concepto de propiedad de transporte y de flujo.
3.8 Establecer la primera ley de Fick para la difusión y deducir la segunda ley de Fick y
calcular el coeficiente de difusión.
3.9 Calcular la velocidad de efusión de un gas a través de un orificio, justificar la ley
de Graham y medir las presiones de vapor por el método de Knudsen.
3.10 Calcular la conductividad térmica y la viscosidad de un gas, explicar sus propiedades y su
medida experimental.
3.11 Resolver ejercicios y problemas relacionados con la unidad.
4. Termodinámica.
4.1 Definir correctamente los siguientes conceptos: sistema, estado, proceso, alrededores, trayectoria, universo, trabajo, energía, calor y sistemas abiertos, cerrados y aislados.
4.2 Definir la primera ley de la termodinámica y qué significa la energía interna de un sistema.
4.3 Obtener las ecuaciones del trabajo mecánico en procesos reversibles e irreversibles de expansión y compresión del sistema o cuando se expande o comprime contra una presión externa.
4.4 Calcular la fórmula del trabajo de un proceso reversible a presión constante, calor constante, temperatura constante, volumen constante y cíclico con gases ideales y reales.
4.5 Definir reversibilidad termodinámica y explicar porqué corresponde al equilibrio y a un trabajo máximo.
4.6 Establecer qué es la capacidad calorífica a volumen y presión constante y cuál es su valor en los gases ideales y reales.
4.7 Demostrar la relación que existe entre calor, energía interna y trabajo en los diferentes tipos de procesos.
4.8 Definir a partir de la primera ley de la termodinámica qué es la entalpía de un sistema y su relación con el calor a presión constante.
4.9 Explicar el término movimiento térmico y distinguir entre calor y trabajo en función de los movimientos caótico y ordenado de las partículas.
4.10 Resolver problemas relacionados con la unidad.
5. Primera Ley de la Termodinámica.
5.1 Definir que son las propiedades extensivas e intensivas, función de estado, función de línea y diferencial exacta e inexacta.
5.2 Expresar los cambios de energía interna y entalpía en función del cambio de presión, temperatura y volumen.
5.3 Definir expansividad térmica isobárica y compresibilidad isotérmica.
5.4 Demostrar y obtener una expresión de la energía interna con relación a la temperatura a presión constante y de la entalpía con relación a la temperatura a volumen constante.
5.5 Explicar y definir la importancia termodinámica del experimento de Joule y de Joule-Thomson.
5.6 Deducir para los procesos adiabáticos reversibles la relación entre P vs. V, P vs T y V vs T en gases ideales.
5.7 Derivar y utilizar las relaciones que se puede establecer entre Cv y Cp.
5.8 Deducir la expresión para calcular la temperatura de un proceso adiabático irreversible que efectúa un gas ideal.
5.9 Derivar diferentes ecuaciones para calcular el trabajo adiabático reversible de un gas ideal.
5.10 Resolver problemas relacionados con la unidad.
6. Termoquímica
6.1 Definir reacción endotérmica y exotérmica. Escribir correctamente una ecuación termoquímica.
6.2 Definir entalpía de reacción, entalpía estándar de reacción, entalpía de combustión, entalpía de formación.
6.3 Explicar porqué son importantes los combustibles fósiles y su impacto en la contaminación ambiental y del desarrollo tecnológico.
6.4. Conocer el contenido energético de los alimentos y del desarrollo de los países.
6.5 Definir las leyes de la termoquímica: Hess, Bertholdt, Lavoisier y La Place.
6.6 Explicar cómo se mide experimentalmente el cambio de entalpía de las reacciones químicas.
6.7 Definir en qué consiste la entalpía de atomización, hidrogenación, sublimación, vaporización, fusión, disolución, dilución y solvatación.
6.8 Definir entalpía de disociación de enlace, entalpía media de disociación de enlace y energía de disociación de enlace.
6.9 Deducir la ecuación de Kirchoff y construir los ciclos de Born-Haber.
6.10 Resolver problemas relacionados con la unidad.
7. Segunda Ley de la Termodinámica
7.1 Establecer la segunda ley de la termodinámica y como se calcula el cambio de entropía en los diferentes procesos de los gases ideales.
7.2 Justificar la desigualdad de Clausius para demostrar que los cambios expontáneos en sistemas aislados van acompañados de un aumento de entropía.
7.3 Establecer y utilizar una expresión para la entropía de un proceso de transición de fase.
7.4 Explicar el ciclo de Carnot y calcular el trabajo producido por una máquina calorífica u determinar la eficiencia termodinámica máxima.
7.5 Calcular el cambio de entropía en un proceso irreversible y en un proceso reversible.
7.6 Demostrar como se obtiene la función de Gibbs y la función de Helmholtz.
7.7 Relacionar la función de Gibbs con el trabajo máximo y calcular el cambio de entropía utilizando datos termoquímicos.
7.8 Calcular el cambio de entropía de una reacción química y el efecto de la temperatura.
7.9 Definir la tercera ley de la termodinámica y la entropía estandar de una reacción.
7.10 Resolver problemas relacionados con la unidad.
8. El potencial químico.
8.1 Establecer cómo cambia le energía interna en diferentes procesos.
8.2 Deducir y establecer las relaciones de Maxwell y obtener la ecuación termodinámica de estado.
8.3 Derivar la ecuación de Gibbs-Helmholtz de la dependencia del cambio de la energía libre con la temperatura.
8.4 Establecer la dependencia de la función de Gibbs de la presión para sólidos, líquidos y de cualquier tipo de sustancia.
8.5 Escribir una expresión de la dependencia de un gas real de la presión, definir fugacidad y coeficiente de fugacidad.
8.6 Explicar los métodos para medir la fugacidad de un gas y relacionarla con las interacciones entre partículas.
8.7 Definir el estado estándar de un gas real y cómo cambia la función de Gibbs en un sistema abierto al variar la composición.
8.8 Definir qué es el potencial químico de una sustancia y utilizarlo para expresar la dependencia de la función de Gibbs de la composición.
8.9 Establecer la relaciones entre el potencial químico y la dependencia de las funciones de estados U, H y A de la composición.
8.10 Resolver problemas relacionados con la unidad.
9. Cambios de estado de sustancias puras.
9.1 Establecer las condiciones para que exista el equilibrio de fases en función del potencial químico y el efecto de temperatura y presión.
9.2 Definir punto de fusión, ebullición normal y estándar y explicar el significado de fusión de vapor.
9.3 Deducir le ecuación de Clapeyron y su aplicación al equilibrio de fases.
9.4 Deducir y utilizar la ecuación de Clausius-clapeyron.
9.5 Dibujar e interpretar el diagrama de fase del H2O, CO2, azufre y helio.
9.6 Definir propiedades características de transiciones de fase de primer y segundo orden, transcición l y del coeficiente de eficiencia de un refrigerador.
9.7 Explicar el funcionamiento de una bomba de calor y explicar la escala termodinámica de temperatura y de la técnica de desmagnetización adiabática.
9.8 Definir tensión superficial y deducir la ecuación de La Place y de Kelvin.
9.9 Explicar la importancia de la nucleación.
9.10 Resolver problemas relacionados con la unidad.
10. Cambios de estado de mezclas simples.
10.1 Definir magnitud molar parcial y expresarla como una magnitud termodinámica y explicar el método de la ordenada en el origen.
10.2 Deducir la ecuación de Gibbs-Duhem para determinar los cambios de potencial químico de los componentes de un sistema y calcular el potencial químico de un componente en la mezcla.
10.3 Demostrar y obtener las expresiones matemáticas para obtener las funciones termodinámicas de una mezcla de gases ideales.
10.4 Establecer la ley de Raoult y la ley de Henry para la presión parcial de vapor de un componente y la presión parcial del soluto respectivamente.
10.5 Definir disolución ideal y disolución diluida ideal y deducir una expresión para sus funciones termodinámicas.
10.6 Explicar el término propiedades coligativas y deducir sus expresiones matermáticas de cada una de las propiedafdes coligativas.
10.7 Construir e interpretar los diagramas de presión-vapor para mezclas volátiles de líquidos y relacionar la presión de vapor con la composición de la mezcla.
10.8 Utilizar la regla de la Palanca y los digramas temperatura-composición para determinar las cantidades relativas de líquido y vapor en el equilibrio y analizar la destilación de una mezcla respectivamente.
10.9 Explicar el significado del término azeótropo y diferenciar entre azeótropos de temperatura máxima de ebullición y mínima.
10.10 Escribir la expresión del potencial químico de su disolvente real y definir su actividad y coeficiente de actividad y explicar cómo se pueden medir.
10.11 Escribir y justificar una expresión para el potencial químico de un soluto, definir sus actividades y coeficientes de actividad y explicar su medición.
10.12 Escribir y justificar una expresión para el potencial químico de un soluto en función de su molalidad y definir los estados estándar de los componentes de disoluciones ideales y reales.
10.13 Resolver problemas relacionados con la unidad.
11. Cambios de estado y la regla de las fases.
11.1 Establecer y deducir la regla de las fases y definir fase, componente y varianza.
11.2 Determinar el número de componentes de un sistema y aplicar la regla de las fases a sistemas de un componente.
11.3 Explicar cómo se utilizan las curvas de enfriamiento para construir diagramas de fases.
11.4 Interpretar diagramas de fases líquido-líquido y explicar el término temperatura de co-solubilidad.
11.5 Describir la destilación de líquidos parcialmente miscibles en función de diagramas de fases.
11.6 Interpretar diagramas de fases líquido-sólido y explicar los términos eutéctico y detención eutéctica.
11.7 Interpretar diagramas de gases cuando ocurren reacciones y explicar qué es reacción peristéctica y fusión incongruente.
11.8 Explicar los fundamentos de la purificación por zonas y de la nivelación por zonas.
11.9 Utilizar coordenadas triangulares para sistemas de tres componentes e interpretar diagramas de fase para tres componentes para líquidos parcialmente miscibles y disoluciones de dos sales.
11.10 Resolver problemas relacionados con la unidad
12. Moléculas en movimiento: transporte de iones y difusión molecular.
12.1 Definir la conductividad, la conductividad molar de disoluciones de electrolitos y explicar
su medición.
12.2 Distinguir entre electrolitos débiles y fuertes.
12.3 Establecer la ley de Kohlrausch y la ley de migración independiente de los iones.
12.4 Establecer, deducir y utilizar la ley de dilución de Ostwald.
12.5 Definir y calcular la velocidad de desplazamiento de iones, la movilidad de un ión y
relacionar la movilidad iónica, con su conductividad molar.
12.6 Definir el número de transporte de un ión y describir como se puede medir.
12.7 Describir el efecto de relajación, el efecto electroforético en la conductividad de iones,
exponer y utilizar la teoría de Debye-Hückel-Onsager.
12.8 Describir el efecto Wien y el efecto Debye-FalKenhagen.
12.9 Explicar el significado de fuerza termodinámica.
12.10 Deducir la primera Ley de Fick para la difusión a partir del potencial químico.
12.11 Deducir y utilizar la relación de Einstein, la relación Nernst-Einstein y la relación de
Stokes-Einstein.
12.12 Deducir la ecuación de difusión para soluciones y explicar como se miden los
coeficientes de difusión.
12.13 Explicar el significado de convección y escribir la ecuación de difusión generalizada.
12.14 Expresar la difusión de partículas en función de un paseo aleatorio unidimensional.
12.15 Deducir y utilizar la relación de Einstein-Smoluchowski
12.16 Resolver ejercicios y problemas relacionados con la unidad.
METODOLOGIA SUGERIDA Y ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
Durante el desarrollo del curso además de los 3 exámenes parciales obligatorios y del examen final, se complementará con la participación activa del estudiante, encomendándole un total de 14 tareas y 3 monografías bibliográficas sobre temas de actualidad que serán presentados en clase en forma organizada y evaluados en función a las ayudas visuales que presente voluntariamente el estudiante.
TIEMPO ESTIMADO POR TEMA
2 semanas para Termoquímica
2 semanas para la Segunda Ley de la Termodinámica
1 semana por tema, para el resto de los demás temas.
POLITICAS DE EVALUACION SUGERIDAS
1. 3 exámenes paciales
2. 1 examen final
3. 14 tareas
4. 3 monografías bibliográficas
5. Evaluación final: 50% A, 35% B, 10% C y 5% D.
LIBRO(S) DE TEXTO
P.W. Atkins
Fisicoquímica
Addison-Wesley Iberoamericana, S.A., 3a. ed.
Wilmington, Delaware, 1991.
LIBRO(S) DE CONSULTA
G. W. Castellan
Fisicoquímica
Addison-Weley Iberoamericana, S.A.
México, D.F. , 1987.
I.N. Lavine
Physical chemistry
McGraw Hill, 4a. ed., New York, 1995.
C.R. Metz
Fisicoquímica
McGraw Hill, Colombia, 1991.
PERFIL DEL MAESTRO
Profesor con maestría en alguna área de química y preferentemente con carrera de licenciado en ciencias químicas.