Plan anual de actividades académicas (2017) FÍSICO-QUÍMICA 1. Datos generales de la actividad curricular Departamento: Ingeniería química Área: Química Asignatura: Físico-química Plan de estudios: 1995 Carácter: De la especialidad (Obligatoria) Régimen de dictado: Anual Equipo docente: Titular: Asociado: Adjunto: CIAPPINI, Ma. Cristina (1DS); MARTINET, Roxana (0.1 DE) JTP: FRUTOS; Analía (1DS) Auxiliares: ALVAREZ; María (1DS); MEIER; Mercedes (1DS); SANTA CRUZ, Judith (1DS) 2. Fundamentación de la materia dentro del plan de estudios. La fisicoquímica es una disciplina científica cuyo objetivo es el estudio de los procesos químicos desde un punto de vista físico. Reúne los datos necesarios para la definición de las propiedades y características de los gases, líquidos, sólidos, soluciones y dispersiones coloidales, a fin de sistematizarlos y darles un fundamento teórico. También establece las relaciones de energía en las transformaciones físicas y predice su velocidad. Para realizar este propósito, la fisicoquímica utiliza enfoques microscópicos y macroscópicos, estableciendo leyes, modelos y postulados que permiten explicar y predecir los fenómenos estudiados; de hecho, esta ciencia es un campo donde la física y la matemática se aplican ampliamente en el estudio y la resolución de problemas relacionados con los procesos químicos de interés. Pero, además, se apoya ampliamente en la experimentación, cuyas técnicas y métodos juegan un papel tan determinante como las leyes y métodos matemáticos. Para un ingeniero químico es muy importante conocer la naturaleza química de los sistemas con los que está tratando, poder predecir cómo se desarrollará una reacción química, a fin de transferir una operación del laboratorio a una planta de escala comercial. En consecuencia, la formación en el área de la fisicoquímica es imprescindible para dar al Ingeniero Químico una base conceptual, que articula los conocimientos vistos en las asignaturas básicas, con los necesarios para su aplicación en el estudio de las asignaturas específicas de la carrera. 3. Objetivos Página 1 de 10
Señalar los objetivos expresados en términos de competencias a lograr por los alumnos y/o de actividades para las que capacita la formación impartida. Según Ordenanza Nº 768/94 (Diseño Curricular de la Carrera Ingeniería Química, p.55): Comprender y aplicar la termodinámica de multicomponentes, la termodinámica química y los fenómenos fisicoquímicos y proyectarlos hacia su aplicación industrial. Son objetivos específicos de la asignatura que el alumno: Fortalezca su espíritu crítico respecto del uso de la información, especialmente en la interpretación de resultados, en la noción de los errores posibles y en la necesidad de disponer de criterio y juicio ingenieril para aplicarlos. Enuncie, interprete y aplique los principios básicos de la fisicoquímica, para su aplicación en la práctica profesional. Emplee bibliografía diversa, para el conocimiento de la literatura básica y especializada tanto impresa como accesible por Internet. Piense en forma independiente y fundamente sus apreciaciones. Logre una formación más integral, que le permita desarrollar otras capacidades: comprenda el contexto social en el que se desenvuelve, adquiera habilidades de comunicación (oral, escrita, cinestésica) y trabaje en equipos interdisciplinarios, 4. Descripción de la actividad curricular Describir brevemente la actividad curricular, las tareas a realizar por docentes y alumnos y los materiales didácticos, guías, esquemas, lecturas previas, otros que se requieran para desarrollarla. a. Clases teórico-prácticas Si se parte del concepto del aprendizaje como construcción, no se puede aceptar una separación arbitraria entre Teoría y Práctica; la propuesta es acercarse a los problemas integrando ambas. Es necesario encarar lo teórico- práctico como forma de generación de conocimiento, considerando dicha práctica como praxis y no como aplicación. En consecuencia la teoría y la resolución de problemas serán tratadas como un todo. Se introducirá la actividad curricular, exponiendo el programa de contenidos, de manera que el alumno tenga desde el inicio una visión de conjunto, y se indicará la relación de esta asignatura con las otras asignaturas del Plan de Estudios de IQ, para que el alumno no vea al mismo como compartimientos estancos, sino interactivos. Se recomendará la bibliografía y el material de estudio, orientados por tema, y la modalidad y fechas de evaluación. Se informará también acerca de la Cátedra On-Line, espacio virtual disponible en la página de la FRRo, en el cual encontrará disponible información y será una de las formas de comunicación alumnos docentes. En las clases subsiguientes, el docente iniciará cada tema desarrollando una clase teórica expositiva dialogada y participativa, utilizando recursos audiovisuales, tiza y pizarrón, que se combinará con la resolución de problemas por parte del alumno. El docente a su vez, promoverá y dirigirá el debate entre alumnos e intervendrá, hasta que considere que el tema queda razonablemente clarificado. Se considera que pensar y hacer es la manera más adecuada de comprender y asimilar los conocimientos. Se hará hincapié en ejemplos de interés práctico y, si es posible, cotidiano, utilizando los medios clásicos (tiza y pizarrón); empleando medios audiovisuales, particularmente para mostrar imágenes y gráficos en temas tales como diagramas de fase, ternarias y algunos temas de electroquímica. Se preparará una colección temática de ejercicios y problemas, que constituirán una Guía Práctica. Página 2 de 10
Se fomentará la discusión general de las estrategias empleadas para la resolución de problemas, con propuestas alternativas y evaluación de resultados numéricos. Se facilitará la lógica propia de cada alumno en el abordaje resolutorio. Esto refuerza su capacidad de crítica y autocrítica y estimula la libertad de generar nuevas ideas y de expresarlas. Al final de cada clase, se hará una recapitulación de la misma, a modo de cierre. b. Prácticas de Laboratorio Tienen por objetivo fundamental que el alumno: Mida diversas propiedades fisicoquímicas con la instrumentación adecuada. Desarrolle una actitud cuidadosa en el manejo de la instrumentación científica. Desarrolle una actitud responsable en la obtención de datos experimentales y en el análisis de los resultados obtenidos. Desarrolle una actitud ética en el uso e informe de los resultados obtenidos. Desarrolle la capacidad para evaluar los datos científicos mediante procedimientos estadísticos. Cada grupo de trabajo deberá presentar un informe escrito de los trabajos prácticos, según el modelo orientativo que la cátedra propone. Esto le permite al alumno mejorar sus habilidades en la redacción y presentación de informes y promueve el uso de herramientas informáticas. También mejora sus habilidades para la comunicación oral y escrita. Se asignará una fecha de entrega para cada informe, para reforzar la capacidad de planificación y organización del alumno. La formación práctica le permite al docente evaluar las habilidades no cognitivas como son las manipulativas, técnicas, organizativas, de planeamiento, de control, comunicativas, etc., cuyo ámbito natural es el laboratorio. La evaluación del informe de laboratorio suministra datos cuantificables sobre el desempeño del alumno. Los trabajos prácticos enunciados no son taxativos, podrán ampliarse o modificarse en sucesivos ciclos lectivos. c. Clases de consulta Los docentes dedicarán un tiempo semanal a la atención de aquellos alumnos que requieran una orientación o ayuda adicional, para superar las dificultades que les plantea el aprendizaje de esta asignatura y a quienes deseen ampliar las temáticas correspondientes. Los horarios y sitio de consulta estarán debidamente informados en la Cátedra On Line y en todo otro sitio que el Departamento de Ingeniería Química establezca. d. Cátedra On Line Se mantiene una comunicación permanente con el alumno a través del espacio virtual denominado Cátedra On-line, que provee información (programa, horarios, anuncios, bibliografía, enunciados de problemas, Guías de trabajos prácticos, etc.) y material de consulta. 5. Modalidad de enseñanza y carga horaria Completar el siguiente cuadro con las actividades con carga horaria significativa exceptuando las actividades ocasionales que no resulten sustanciales para el desarrollo de la actividad curricular (conferencias, prácticas no sistemáticas o no obligatorias, fichado de material bibliográfico u otras). Carga horaria semanal Carga horaria total Teórica 1.5 48 Página 3 de 10
Formación experimental Laboratorio / Aula virtual 0.5 16 Trabajo de campo Resolución de problemas 2 64 Proyectos y diseño Práctica supervisada En el sector productivo de bienes y/o servicios En la institución Sumatoria 4 128 6. Distribución del personal docente de la cátedra según las actividades curriculares a desarrollar. Cantidad de docentes que participarán en: Cargo Cantidad total Teóricas Formación experimental Resolución de problemas Proyectos y diseños Práctica supervisada Otra Prof. Tit. Prof. Asoc. Prof. Adj. 2 2 2 2 JTP 1 1 1 Aux. graduado 3 3 3 Aux. no graduado Otros 3 3 3 7. Contenidos Indicar los contenidos incluidos en el programa de la actividad curricular. a) Conceptuales Tema 1: Introducción a la Termodinámica: Relaciones entre propiedades termodinámicas macroscópicas y las variantes microscópicas. Revisión de termodinámica clásica y ecuaciones de estado gaseosos ideales y reales. Uso de curvas generalizadas. 1er principio y propiedades. Energía interna. Calor. Trabajo y Entalpía. Tema 2: Termoquímica. Aplicación del 1er principio. Cambio de las reacciones químicas. Calor de reacción. Cambios térmicos a presión constante. Leyes termoquímicas. Calor de formación. Contenido calorífico y calor de formación. Calor de solución y dilución. Calor de combustión. Calor de cambio de fase. Ecuación de Kirchoff. Efecto de la temperatura sobre el calor de las reacciones. Aplicaciones. Tema 3: Sistemas multicomponentes. Aplicación 2do. principio. Revisión propiedades: Entropía. Función de Trabajo y Energía Libre. Condición de equilibrio. Siste- Página 4 de 10
mas multicomponentes: propiedades molares parciales. Significado físico de la propiedad molar parcial. Potencial químico. Ecuación de Gibbs - Duhem. Fugacidad. Determinación de fugacidad por distintos métodos. Variación de la fugacidad con la presión y temperatura. Mezcla de gases. Regla de Lewis - Randall. Mezclas líquidas. Actividad: aplicación de soluciones líquidas. Variación con la presión y la temperatura. Cálculo de actividades y coeficientes de actividad. Tema 4: Equilibrio de fases. Sistema de un componente. La ecuación de Clapeyron. Equilibrio sólido - líquido y líquido - vapor. Ecuación de Claussius - Clapeyron. Sistemas de más de un componente. La regla de las fases. Equilibrio de la fase de superficie. Aplicación del equilibrio de fases a sistemas de un componente. Caso del agua. Sistemas binarios. Relaciones de presión de vapor - temperatura. Dependencia de la presión de vapor con la presión total. Equilibrio sólido líquido en sistemas binarios. Análisis térmico. Eutéctico. Punto de fusión congruente e incongruente. Soluciones sólidas. Sistema gas - liquido. Diagramas binarios. Sistemas ternarios. Diagramas triangulares, su importancia práctica. Tema 5: Propiedades de las soluciones Propiedades de las soluciones ideales. La ecuación de Duhem - Margules. Ley de Raoult. Curvas de presión de vapor - composición de líquidos y vapor en equilibrio. Influencia de la temperatura. Solubilidad de gases. Equilibrio sólido - líquido. Soluciones no ideales. Composición líquido - vapor en sistemas multicomponentes. Diagrama de punto de ebullición. Punto de rocío y punto de burbuja. Equilibrio flash. Equilibrio L/V. Tema 6: Equilibrio Químico La constante de equilibrio. Equilibrio en sistemas gaseosos homogéneos. Reacciones homogéneas en disoluciones líquidas. Cambios de energía libre en reacciones químicas. La isoterma de reacción. Energía libre tipo de reacción. Equilibrios químicos en sistemas heterogéneos. La dirección del cambio químico. Variación de la constante de equilibrio con la presión y temperatura. Ecuación de Van t Hoff. Tema 7: Electroquímica. Conductores electrolíticos. El fenómeno de la electrólisis. Conductividad equivalente a dilución infinita. Migración independiente de los iones. Conductividad de los iones y su velocidad. Influencia de la temperatura, presión y disolvente. Teoría de Debye Huckel. Ecuación de Onsager. Número de transporte. Pilas reversibles. Energía química y eléctrica. Fuerza electromotriz de una pila química. Signo de potencial de electrodo. Escala de hidrógeno. Potenciales de electrodos tipo y constante de equilibrio. Ecuación de Nerst. Determinación de actividades y coeficientes de actividad a partir de la FEM de pilas. Electrólisis y polarización Polarización electrolítica. Potenciales de descarga. Sobretensión. Depósito catódico de metales. Separación de metales por electrólisis. Depósito simultáneo de metales. Fenómenos anódicos irreversibles. TRABAJOS PRACTICOS: 1. Calor de combustión. Determinación del calor de combustión de una sustancia mediante la bomba calorimétrica adiabática. 2. Propiedades molares parciales: Determinación de volúmenes molares parciales por el método de las propiedades molares aparentes. 3. Electroquímica. b) Procedimentales Clases interactivas, promoviendo la participación y el intercambio de ideas alumno-docente y alumno-alumno. Búsqueda y utilización de las variadas fuentes de información disponibles (bibliográficas, informáticas y/o de la web) para la resolución de problemas; confrontación de contenidos y elaboración de informes. Elaboración de conclusiones y análisis crítico de cada eje conceptual y exposición oral y/o Página 5 de 10
escrita. c) Actitudinales Se fomentará y valorará: Trabajo en equipo, compañerismo, ética y responsabilidad en el trabajo grupal e individual. Tenacidad, respeto y disciplina en el trabajo áulico. Reconocimiento del intercambio de ideas como fuente de aprendizaje. Interés en el aprendizaje de una nueva disciplina. Valorar el orden y la rigurosidad científica como medios indispensables para la obtención de resultados confiables. Curiosidad, apertura y duda, como base del conocimiento. Apropiación critica de saberes. 8. Metodologías de enseñanza Listar las estrategias didácticas empleadas para garantizar la adquisición de conocimientos, competencias y actitudes en relación con los objetivos. Especificar cuáles son las estrategias implementadas para generar hábitos de autoaprendizaje. Los principios de la fisicoquímica pueden aplicarse al estudio de cualquier sistema químico. Debido a que los problemas con que se encuentran los estudiosos de la fisicoquímica son diversos y con frecuencia complejos, requieren de muchos enfoque diferentes. Por ejemplo, en el estudio de la termodinámica y la velocidad de las reacciones químicas, se emplea un método macroscópico fenomenológico, mientras que para comprender el comportamiento cinético y los mecanismos de reacción se necesita un enfoque molecular. De acuerdo al contenido de esta asignatura, el enfoque será fundamentalmente el primero. En fisicoquímica se puede dar una orientación clásica, que otorga gran importancia a los desarrollos matemáticos, y otra, más aplicada e ingenieril, orientada a la interpretación y predicción de los fenómenos. El desarrollo de esta asignatura estará orientado a esta segunda concepción, que se considera más adecuada para la formación de un ingeniero, sin perder los fundamentos disciplinares. Considerada dentro del grupo de Tecnologías básicas, comprende los conocimientos básicos sobre los que se fundamenta la ingeniería química, estudiada a nivel molecular. La asignatura de Fisicoquímica contribuye a la construcción del perfil general del egresado al propiciar que el alumno: adquiera destreza en el lenguaje propio de la Fisicoquímica y en el manejo de las herramientas matemáticas de las que se auxilia esta ciencia; adquiera las reglas básicas para la indagación y el estudio a través del proceso inductivo-deductivo característico de las Ciencias Naturales, en particular de la Física y de la Química, para la construcción de modelos que proporcionen la explicación del mayor número posible de fenómenos; desarrolle su capacidad de interacción y diálogo por medio del trabajo experimental en equipo y de las discusiones grupales; desarrolle habilidades para observar, reunir información de distintas fuetes y analizarla, con objeto de aplicarla en la resolución de problemas teórico-prácticos; relacione los conocimientos de la Fisicoquímica con la tecnología y la sociedad; realice actividades de enseñanza-aprendizaje con base en situacionesproblema de su interés; utilice en nuevas situaciones los conocimientos y estrategias aprendidas durante el curso. Se parte de las funciones termodinámicas, a partir de su ecuación fundamental, para definir la función energía libre de Gibbs como criterio de equilibrio y espontaneidad. La energía libre y el potencial químico se utilizarán luego para estudiar el equilibrio de fases, el equilibrio químico y el equilibrio electroquímico. Se orientará al alumno sobre la bibliografía a utilizar para cada tema. La evaluación continua a realizar adquiere todo su valor en la posibilidad de retroalimentación que Página 6 de 10
proporciona: mejorar el proceso de enseñanza aprendizaje, modificar el plan de acción diseñado para el desarrollo del proceso, introducir los mecanismos de correcciones adecuados, programar un plan de refuerzo específico. La evaluación continua del alumnado y del proceso de enseñanza-aprendizaje, permitirá la autoevaluación de los docentes y de la organización de la cátedra, a los efectos de modificar las metodologías de trabajo o el enfoque didáctico de temas, cuando se aprecie que no se obtienen los resultados esperados. Serán objetivos del equipo docente: Alcanzar una estrecha relación docente alumno. Fomentar la libertad responsable. Fomentar la responsabilidad sobre los resultados obtenidos, la metodología seguida y las conclusiones arribadas. Facilitar el seguimiento de la materia. Brindar una visión amplia del contenido de la asignatura y sus aplicaciones. 9. Evaluación Describir las formas de evaluación, requisitos de promoción y condiciones de aprobación de los alumnos (regulares y libres) fundamentando brevemente su elección. Indicar si se anticipa a los alumnos el método de evaluación y cómo acceden estos a los resultados de sus evaluaciones como complemento de la enseñanza. La evaluación acompañará el proceso de aprendizaje, se observarán los avances y las dificultades de los alumnos durante el proceso, mediante el relevamiento de sus producciones (informes de trabajos prácticos, participación en clases, preguntas, etc.). Se ajustará la planificación si resulta necesario y se mantendrá informado al alumno sobre sus fortalezas y dificultades. En la evaluación final, se espera reafirmar el logro de los alumnos por la adquisición de las competencias, que responden a los objetivos de la asignatura. Se valorizará también el interés demostrado por los alumnos, el cumplimiento y puntualidad en la entrega de informes de trabajos prácticos y su disposición para el trabajo cooperativo. En cada evaluación parcial, se incluirán todas las unidades temáticas abordadas desde el inicio del año y hasta la fecha de la evaluación parcial. Las evaluaciones constarán de cinco preguntas y dos problemas. La corrección de la resolución de los problemas se efectuará según el siguiente criterio: a) Interpretación del problema b) Aplicación de principios teóricos c) Uso correcto de unidades d) Cálculos y resultados e) Presentación Los alumnos son informados de la metodología de evaluación en la primera clase del ciclo lectivo. Se tomarán parciales en fechas propuestas en el cronograma tentativo, con una instancia de recuperación, también planificada en el cronograma. Cumplido el ciclo lectivo, el alumno podrá resultar con: a) Aprobación directa: para ello el alumno deberá cumplimentar los requisitos reglamentarios establecidos para la asistencia; haber asistido, presentado y aprobado los trabajos prácticos; haber demostrado que alcanzó las competencias establecidas en los objetivos de la materia y haberse desempeñado en el ciclo lectivo de acuerdo a los contenidos actitudinales y procedimentales señalados. b) Aprobación no directa: el alumno que habiendo demostrado niveles mínimos y básicos de aprendizaje no alcancen los niveles de aprobación directa, estarán habilitados para rendir una evaluación final. Para ello, se inscribirán en las fechas que a tal fin establezca el Departamen- Página 7 de 10
to de Ingeniería Química, según el calendario académico. c) No aprobación: El alumno que no haya demostrado niveles mínimos y básicos de aprendizaje, deberá recursar la asignatura. Los resultados de la evaluación integral se conversaran con cada alumno en la instancia prevista para ese fin en la planificación que se adjunta. 10. Articulación horizontal y vertical con otras materias Esta asignatura proporciona al estudiante de IQ una base general de las principales leyes y modelos que rigen los cambios físicos y químicos de la materia y le brinda las herramientas necesarias para cursar asignaturas como Ingeniería de las Reacciones, Tecnología de la Energía Térmica y Operaciones Unitarias I y II (Articulación vertical). Ingeniería de las Reacciones utiliza conceptos de equilibrio y de cinética, Tecnología de la Energía Térmica utiliza las propiedades termodinámicas de las soluciones y Operaciones Unitarias emplea conceptos de equilibrio de fases binarias y ternarias. En esta asignatura además se dan las bases para aplicaciones industriales de electroquímica y siderurgia. Para cumplir este objetivo, en este curso se estudian los fundamentos de los equilibrios de fases, las propiedades de las soluciones electrolíticas y no electrolíticas, basándose en las asignaturas del ciclo básico, tales como Física, Análisis Matemático, Química General e Inorgánica, que aportan fundamentos y se constituyen en las herramientas para expresarse con lenguaje ingenieril (leyes, funciones, integraciones, ecuaciones, gráficos, etc.). También resultan de interés las materias integradoras, particularmente Integración II y III, donde se trabaja fundamentalmente el concepto de balances de materia y energía, fundamentales en el desarrollo de los temas de termoquímica y equilibrio químico. De acuerdo al plan de estudios y a su implementación en FRRo (Resolución Nº 329/98), hay una articulación horizontal con las asignaturas Termodinámica, Fenómenos de Transporte y Química Analítica. Se espera interactuar con los docentes responsables de esas actividades curriculares, a fin de coordinar el desarrollo de los temas. Correlatividades : Para cursarla: Regulares: Análisis Matemáticos II, Química Inorgánica; Física II, Aprobadas: Álgebra y Geometría Analítica, Análisis Matemático I, Química General, Física I Para rendir: Aprobadas: Análisis Matemáticos II, Química Inorgánica; Física II, Termodinámica 11. Bibliografía Detallar la bibliografía. En el caso de libros especificar el título, los autores, la editorial y el año de edición e indicar en el cuadro la cantidad de ejemplares disponibles para los alumnos en la biblioteca y los años de sus ediciones. Bibliografía Página 8 de 10 En el caso de libros: Cantidad* Año de edición Adamson, A. Problemas de química física. Barcelona: Reverte. 1 1975 Baal, D. Fisicoquímica. México: Thomson 1 2004 Barrow, G. Química Física. Tomos I y II. Barcelona: Reverte. 1 1976 Castellan, G.W. Fisicoquímica: Problemas Resueltos. México: Fondo Educativo Interamericano 1 1981
Primer cuatrimestre Facultad Regional Rosario Castellan, GW. Fisicoquímica. 2ª Edición. México: Fondo Educativo Interamericano. 2 1988 Chang, R. Fisicoquímica para las ciencias químicas y biológicas. Mc Graw Hill. México. 1 2008 Engel, T., Reid, P. Química física. Madrid: Pearson 1 2006 Hougen, O.A., Watson K.M. y Ragatz, R.A. Principios de los Procesos Químicos. Vol. 1 y 2. Barcelona: Reverte. 1 1980 Kuhn, H., Horst-Dieter Forsterling, J.; Waldeck, D. Principios de Fisicoquímica. Mexico: Cengage Learning. 1 2012 Levin, I. Problemas resueltos de Fisicoquímica. Madrid: McGraw- Hill. 1 1985 Perry, R. Manual del Ingeniero Químico. Madrid: McGraw Hill. 10 1985/1986 Smith, J.M., Van Ness, H.C. Introducción a la termodinámica en ingeniería química. Mexico: McGraw-Hill 1 1979 Glasstone, S. Termodinámica para químicos. Madrid: Aguilar 1 1978 Daniels, F., Alberty, R. (1979). Fisicoquímica. México: Continental. 1 1979 * Disponible en la biblioteca para uso de los alumnos. 12. Cronograma estimado de clases Fecha Actividad 17/03 24/03 31/03 7/04 14/04 Viernes Santo 21/04 28/04 05/05 12/05 19/05 26/05 02/06 09/06. 16/06 23/06. 30/06 04/08. 11/08 18/08 Segundo cuatrimestre 28/07 Página 9 de 10
25/08 01/09 08/09. 15/09 22/09 29/09 06/10 13/10 20/10 27/10 03/11 10/11 RECUPERATORIO GLOBALIZADOR 13. Observaciones De acuerdo a la disponibilidad de docentes y alumnos, durante el 1º, 3º y 4º llamado a examen, se llevará a cabo la resolución de problemas y consultas teórico prácticas.... Firma y aclaración del titular de cátedra o responsable del equipo docente Página 10 de 10