Pontificia Universidad Católica del Ecuador Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Escuela de Ciencias Químicas E-MAIL: dga@puce.edu.ec Av. 12 de Octubre 1076 y Roca Apartado postal 17-01-2184 Fax: 593 2 299 16 56 Telf: 593 2 299 15 35 Quito - Ecuador 1.- DATOS INFORMATIVOS: MATERIA: Fisicoquímica II (Teoría y Laboratorio) CODIGO: 12824 CARRERA: Ciencias Químicas, mención Química Analítica NIVEL: Quinto NO. CREDITOS: 5 CRÉDITOS TEORIA: 3 CRÉDITOS PRÁCTICA: 2 SEMESTRE/ AÑO ACADEMICO: Primero/2009-2010 PROFESOR: Lorena Meneses Olmedo, PhD (Química). Investigación en Físico-Química Orgánica, Química Teórica y Computacional y Reactividad Química Horario de atención a estudiantes: jueves 15h00-17h00 Correo electrónico: lmmeneses@puce.edu.ec Teléfono: 2991700 ext 1854 2.- DESCRIPCIÓN DE LA MATERIA: El presente curso es la continuación de la Físicoquímica I para estudiantes de la carrera de Química Analítica y se enfoca específicamente en la cinética química. Inicia con la presentación de los aspectos experimentales de la cinética de las reacciones químicas, analizando casos complejos y específicos, y finaliza con la explicación de la dinámica molecular de las reacciones químicas. El laboratorio constituye un complemento experimental de la asignatura; por consiguiente, está dedicado a la determinación experimental de la cinética de las reacciones químicas. 3.- OBJETIVO GENERAL: Continuar con el estudio, iniciado en Fisicoquímica I, de los principios físicos que gobiernan las propiedades y el comportamiento de los sistemas químicos. 4.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS: El estudiante al término del semestre estará en capacidad de: 1. Determinar experimentalmente la velocidad de una reacción química y su dependencia a factores tales como concentración, temperatura y presencia de catalizadores. 2. Visualizar cómo la velocidad total y el comportamiento complejo de algunas reacciones se pueden expresar en términos de pasos elementales y de eventos atómicos que tienen lugar cuando las moléculas se juntan. 3. Describir los eventos físicos y químicos que tienen lugar en las superficies, incluido el fenómeno de catálisis.
5.- CONTENIDOS: Velocidades de las reacciones químicas. 1. Cinética química empírica 1.1 Técnicas experimentales 1.1.1 Monitoreo del progreso de una reacción 1.1.2 Aplicación de las técnicas 1.2 Las velocidades de las reacciones 1.2.1 Definición de velocidad 1.2.2 Ecuaciones de velocidad y constantes de velocidad 1.2.3 Orden de reacción 1.2.4 Determinación del orden de una reacción 1.3 Ecuaciones de reacción integradas 1.3.1 Reacciones de primer orden 1.3.2 Vidas medias y constantes de tiempo 1.3.3 Reacciones de segundo orden 1.4 Reacciones próximas al equilibrio 1.4.1 Reacciones de primer orden cercanas al equilibrio 1.4.2 Métodos de relajación 1.5 Dependencia de la velocidad de reacción a la temperatura 1.5.1 Parámetros de Arrhenius 1.5.2 Interpretación de los parámetros 2. Explicación de las ecuaciones de velocidad 2.1 Reacciones elementales 2.2 Reacciones elementales consecutivas 2.2.1 Variación de la concentración con el tiempo 2.2.2 Etapa de velocidad determinante 2.2.3 Aproximación al estado estacionario 2.2.4 Pre-equilibrio 2.3 Reacciones unimoleculares 2.3.1 Mecanismo de Lindemann-Hinshelwood 2.3.2 Energía de activación de estas reacciones 2.4 Reacciones en cadena 2.4.1 Ecuaciones de velocidad de reacciones en cadena 2.4.2 Explosiones 2.5 Catálisis homogénea 2.5.1 Características de la catálisis homogénea 2.5.2 Enzimas Dinámica molecular de las reacciones químicas 3. Encuentros entre reactivos 3.1 Teoría de las colisiones 3.1.1 Velocidad de colisiones en gases 3.1.2 Requerimiento de energía 3.2 Reacciones controladas por la difusión 3.2.1 Clases de reacciones 3.2.2 Difusión y reacción 3.3 Ecuación de balance de material 3.4 Teoría del complejo activado 3.4.1 Ecuación de Eyring 3.4.2 Aspectos termodinámicos 3.5 Dinámica de las colisiones moleculares 3.5.1 Colisiones reactivas 3.5.2 Superficies de energía potencial
DESARROLLO CURRICULAR DE CADA SESIÓN Teoría FECHA CONTENIDO/ACTIVIDADES Lu 17/08/09 Organización del curso. Revisión de propiedades termodinámicas. Ma18/08/09 Revisión de equilibrio químico Lu 24/08/09 Revisión de equilibrio químico Ma25/08/09 Cinética química empírica. Técnicas experimentales. Lu 31/08/09 Monitoreo del progreso de una reacción. Ma01/09/09 Aplicación de las técnicas Lu 07/09/09 Las velocidades de las reacciones. Definición de velocidad. Ma08/09/09 Ecuaciones de velocidad y constantes de velocidad Lu 14/09/09 Orden de reacción. Ma15/09/09 Determinación del orden de una reacción. Ecuaciones de reacción integradas. Reacciones de primer orden. Lu 21/09/09 Vidas medias y constantes de tiempo Ma22/09/09 Reacciones de segundo orden. Lu 28/09/09 Reacciones cercanas al equilibrio. Reacciones de primer orden próximas al equilibrio. Ma29/09/09 Dependencia de la velocidad de reacción a la temperatura. Parámetros de Arrhenius Lu 05/10/09 Parámetros de Arrhenius. Interpretación de los parámetros Ma06/10/09 Primera prueba parcial. T-1 Lu 12/10/09 Explicación de las ecuaciones de velocidad. Reacciones elementales. Ma13/10/09 Reacciones elementales consecutivas. Variación de la concentración con el tiempo Lu 19/10/09 Etapa de velocidad determinante Aproximación al estado estacionario Ma20/10/09 Pre-equilibrio. Reacciones unimoleculares. Mecanismo de Lindemann-Hinshelwood Energía de activación de estas reacciones Lu 26/10/09 Reacciones en cadena. Ecuaciones de velocidad de reacciones en cadena. Explosiones Ma27/10/09 Cinética de polimerización. Polimerización por etapas. Polimerización en cadena Lu 09/11/09 Catálisis homogénea. Características de la catálisis homogénea. Enzimas. Ma10/11/09 Segunda prueba parcial. T-2 Lu 16/11/09 Encuentros entre reactivos. Teoría de las colisiones. Velocidad de colisiones en gases Ma17/11/08 Requerimiento de energía. Reacciones controladas por la difusión Lu 23/11/09 Difusión y reacción. Ecuación de balance de material Ma24/11/09 Teoría del complejo activado. Ecuación de Eyring Lu 30/11/09 Aspectos termodinámicos. Ma01/12/09 Dinámica de las colisiones moleculares. Colisiones reactivas. Lu 07/12/09 Superficies de energía potencial Ma08/12/09 Tercera prueba parcial T-3 14-18/12/09 Examen Final Laboratorio Fecha Contenido: 26/08/09 Entrega de Material y limpieza. Indicaciones Generales. 02/09/09 Determinación de la constante de disociación ácida del rojo de metilo. 09/09/09 Factores que modifican la velocidad de una reacción
16/09/09 Hidrólisis del acetato de metilo. 23/09/09 Hidrólisis del acetato de etilo en medio básico. 30/09/09 Primera prueba parcial. L1 07/10/09 Hidrólisis del acetato de etilo en medio básico por conductimetría 14/10/09 Cinética de la reacción yoduro-persulfato. Efecto de un catalizador 21/10/09 Cinética de la reacción ce bromación de la acetona. 28/10/09 Cinética de inversión de la sacarosa por polarimetría. 04/11/09 Segunda prueba parcial L2 11/11/09 Cinética de polimerización por etapas 18/11/09 Cinética de polimerización en cadena 25/11/09 Catálisis homogénea 02/12/09 Tercera prueba parcial L-3 09/12/09 Examen final L 6.- METODOLOGÍA: Clases Teóricas: Se exponen los temas mediante conferencias, promoviendo la participación del alumno. Algunos artículos de interés serán incorporados como temas de lectura obligatoria. Se complementa la formación con trabajos de investigación que deben realizar los alumnos sobre los temas tratados y la resolución de problemas. Cada tema de clase se iniciará con la técnica interrogativa, buscando la comprensión inicial para obtener respuestas. Clase Práctica: El trabajo es eminentemente experimental. El aprendizaje de la materia exige de parte del alumno gran dedicación. El profesor dará indicaciones básicas sobre el objetivo de la experiencia, el procedimiento experimental, y el problema específico a investigar, y el alumno cuenta con la guía de prácticas para el desarrollo de las mismas. El alumno debe estar preparado para contribuir a la discusión del tema, y está en la obligación de investigar y consultar sobre otras alternativas de análisis que le permitan identificar las moléculas de interés. Terminado el trabajo de laboratorio, cada alumno deberá entregar un informe escrito sobre la práctica Recursos: material impreso: guías de actividades en el aula y extra-aula, artículos de avances científicos, guías de laboratorio; material electrónico; material y equipo de laboratorio; retroproyector, reproductor multimedia; computadora y pizarrón.
ORGANIZACIÓN DOCENTE SEMANAL SEMANA (1-16) ACTIVIDADES DE INTERACCIÓN DOCENTE - ESTUDIANTES N de horas de clases teóricas (HORAS PRESENCIALES) N de horas de clases prácticas, laboratorios, talleres N de horas de tutorías especializadas TRABAJO AUTÓNOMO DEL ESTUDIANTE (HORAS NO PRESENCIALES) ACTIVIDADES (Descripción) N de horas EVALUACIONES TEMAS A TRATAR (N del tema, unidad, o capítulo descritos en Contenidos) 1 semana 3 4 0 Lectura de textos 3 Revisión 2 semana 3 4 0 ejercicios 4 Revisión 3 semana 3 4 0 Desarrollo de ejercicios 4 Revisión 4 semana 3 4 0 Lectura de textos 5 Cap 1: 1.1 5 semana 3 4 0 ejercicios 5 Cap 1: 1.2 6 semana 3 4 0 ejercicios 5 Cap 1: 1.3 y 1.4 7 semana 3 4 0 Lectura de textos, desarrollo de ejercicios 5 Cap 1: 1.5 8 semana 3 4 0 Prueba parcial 1 9 semana 3 4 0 ejercicios 4 Cap 2: 2.1 y 2.2 10 semana 3 4 0 ejercicios 4 Cap 2: 2.3 11 semana 3 4 0 ejercicios 5 Cap 2: 2.4 y 2.5 12 semana 3 4 0 Prueba parcial 2 13 semana 3 4 0 Desarrollo de ejercicios 4 Cap 3: 3.1 14 semana 3 4 0 Desarrollo de ejercicios 4 Cap 3: 3.2 y 3.3 15 semana 3 4 0 Desarrollo de ejercicios 4 Cap 3: 3.4
16 semana 3 4 0 Desarrollo de ejercicios 5 Cap 3: 3.5 17 semana 3 4 0 Prueba parcial 3 18 semana EXÁMENES Asignatura
7.- EVALUACIÓN: 7.1 CRONOGRAMA DE EVALUACIONES: Evaluación Fecha Evaluación Fecha Prueba T-1 06/10/09. Prueba L-1 30/09/09 Prueba T-2 10/11/09 Prueba L-2 04/11/09 Prueba T-3 08/12/09 Prueba L-3 02/12/09 Examen final T 14-18/12/09 Examen final L. 09/12/09. 7.2 SISTEMA DE CALIFICACIÓN (puntaje asignado a pruebas parciales): La evaluación es el conjunto del proceso de aprendizaje y de la actitud del estudiante en el transcurso de la clase. La evaluación se hace por medio de una prueba mensual sobre los temas que se están tratando, además de ejercicios en clase y tareas enviadas a la casa, y un examen final. Además, durante el semestre, los alumnos deberán realizar varios trabajos de investigación bibliográfica sobre temas relacionados a la materia y de especial interés en la carrera. Los valores se distribuyen de la siguiente manera: - El examen final de la materia supondrá el 40% (20 puntos) de la calificación. - Las capacidades adquiridas en cada unidad temática se evaluarán con las distintas actividades de la materia. - Realización del trabajo práctico de laboratorio y de la evaluación del informe de resultados. Se evaluará la asistencia a las prácticas, la actitud y aptitud del alumno en el laboratorio y el informe de la práctica. - Pruebas de laboratorio y teóricas. Tres notas parciales (10 puntos c/u), integradas por: Parcial No. 1 / Parcial No. 2 / Parcial No. 3 / Prueba T-1 3 Prueba T-2 3 Prueba T-3 3 Prueba L-1 2 Prueba L-2 2 Prueba L-3 2 Informes y trabajo de Informes y trabajo Informes y trabajo de 2 2 laboratorio de laboratorio laboratorio 2 Trabajos: Trabajos: Resolución Trabajos: Resolución Resolución de de problemas, 3 3 de problemas, problemas, cuestionarios, taller. cuestionarios, taller. cuestionarios, taller. 3 Subtotal 10 10 10 - Examen final teórico-práctico: (teoría: 12 puntos, laboratorio 8 puntos): 20 puntos. Para aprobar la materia deben obtener el 40% de la nota del examen final (8/20) y un mínimo de 30 puntos sobre 50. 7.3 FECHA DE ENTREGA DE CALIFICACIONES EN SECRETARÍA: Parcial No. 1 16 octubre Parcial No. 2 20 noviembre Parcial No. 3 11 diciembre
8.- BIBLIOGRAFÍA: Textos de referencia: Atkins, P.W. y DePaula, J. (2002), Physical Chemistry, 7 ed., W.H.Freeman and Company, New York. Chang, R. (2000), Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences, University Science Books, Sausalito. Atkins, P.W. (1994), Physical Chemistry, 5 ed., Oxford University Press, Oxford. Atkins, P.W. (1991), Fisicoquímica, 3 ed., Wesley Iberoamericana, Wilmington. Textos recomendados: Levine, I.N. ((2004), Fisicoquímica, 5 ed., McGraw-Hill, Madrid. Bertrán Rusca, J. y Núñez Delgado, J. (coords.) (2002), Química Física, Ariel Ciencia, Barcelona. Castellan, G.W. (1987), Fisicoquímica, 2 ed., Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington. Aprobado: Por el Consejo de Escuela f) Director de Escuela fecha: Por el Consejo de Facultad f) Decano fecha: