1. DATOS INFORMATIVOS: MATERIA O MÓDULO: Fisicoquímica II (Teoría y Laboratorio) CÓDIGO: 12824 CARRERA: NIVEL: Ciencias Químicas, mención Química Analítica Quinto No. CRÉDITOS: 5 CRÉDITOS TEORÍA: 3 CRÉDITOS PRÁCTICA: 2 SEMESTRE / AÑO ACADÉMICO: Primero/2010-2011 PROFESOR: Nombre: Grado académico o título profesional: Breve indicación de la línea de actividad académica: Indicación de horario de atención a estudiantes: Correo electrónico: Dra. Lorena Meneses Olmedo PhD (Química) Investigación en Físico-Química Orgánica, Química Teórica y Computacional y Reactividad Química martes 15h00-17h00 lmmeneses@puce.edu.ec Teléfono: 2991700 ext. 1854 2. DESCRIPCIÓN DE LA MATERIA: El presente curso es la continuación del curso de Físicoquímica I para estudiantes de la carrera de Ciencias Químicas y se enfoca específicamente en el equilibrio y la cinética química. Inicia con la formulación termodinámica del equilibrio químico, prosigue 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 de la asignatura; por consiguiente, está dedicado a la determinación experimental del equilibrio químico y 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. 1
4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: El estudiante al término del semestre estará en capacidad de: 1. Determinar la composición de equilibrio para una reacción química a partir de su estequiometría, la temperatura y la presión. 2. Racionalizar el comportamiento macroscópico de los sistemas en equilibrio a partir de los tres principios básicos de la Termodinámica. 3. Determinar experimentalmente la velocidad de una reacción química y su dependencia a factores tales como concentración, temperatura y presencia de catalizadores. 4. 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. 5. Describir los eventos físicos y químicos que tienen lugar en las superficies, incluido el fenómeno de catálisis. 5. CONTENIDOS Equilibrio químico 1. Equilibrio químico 1.1 Reacciones químicas espontáneas 1.1.1 Energía de Gibbs mínima 1.1.2 Descripción de equilibrio 1.2 Respuesta del equilibrio a las condiciones 1.2.1 Efecto de la presión 1.2.2 Efecto de la temperatura 1.2.3 Efecto del ph Velocidades de las reacciones químicas. 2. Cinética química empírica 2.1 Técnicas experimentales 2.1.1 Monitoreo del progreso de una reacción 2.1.2 Aplicación de las técnicas 2.2 Las velocidades de las reacciones 2.2.1 Definición de velocidad 2.2.2 Ecuaciones de velocidad y constantes de velocidad 2.2.3 Orden de reacción 2.2.4 Determinación del orden de una reacción 2.3 Ecuaciones de reacción integradas 2.3.1 Reacciones de primer orden 2.3.2 Vidas medias y constantes de tiempo 2.3.3 Reacciones de segundo orden 2.4 Reacciones próximas al equilibrio 2.4.1 Reacciones de primer orden cercanas al equilibrio 2.4.2 Métodos de relajación 2.5 Dependencia de la velocidad de reacción a la temperatura 2.5.1 Parámetros de Arrhenius 2.5.2 Interpretación de los parámetros 2
3 Explicación de las ecuaciones de velocidad 3.1 Reacciones elementales 3.2 Reacciones elementales consecutivas 3.2.1 Variación de la concentración con el tiempo 3.2.2 Etapa de velocidad determinante 3.2.3 Aproximación al estado estacionario 3.2.4 Pre-equilibrio 3.3 Reacciones unimoleculares 3.3.1 Mecanismo de Lindemann-Hinshelwood 3.3.2 Energía de activación de estas reacciones 3.4 Reacciones en cadena 3.4.1 Ecuaciones de velocidad de reacciones en cadena 3.4.2 Explosiones 3.5 Catálisis homogénea 3.5.1 Características de la catálisis homogénea 3.5.2 Enzimas Dinámica molecular de las reacciones químicas 4. Encuentros entre reactivos 4.1 Teoría de las colisiones 4.1.1 Velocidad de colisiones en gases 4.1.2 Requerimiento de energía 4.2 Reacciones controladas por la difusión 4.2.1 Clases de reacciones 4.2.2 Difusión y reacción 4.3 Ecuación de balance de material 4.4 Teoría del complejo activado 4.4.1 Ecuación de Eyring 4.4.2 Aspectos termodinámicos 4.5 Dinámica de las colisiones moleculares 4.5.1 Colisiones reactivas 4.5.2 Superficies de energía potencial DESARROLLO CURRICULAR DE CADA SESIÓN Teoría FECHA CONTENIDO/ACTIVIDADES Lu 16/08/10 Organización del curso. Revisión de propiedades termodinámicas. Mi 18/08/10 Equilibrio químico. Reacciones químicas espontáneas. Energía de Gibbs mínima. Descripción del equilibrio. Lu 23/08/10 Equilibrio de un gas perfecto. Un caso general de reacción. Relaciones entre constantes de equilibrio. Mi 25/08/10 Respuesta del equilibrio a condiciones. Efecto de la presión. Efecto de la Temperatura. Lu 30/08/10 Efecto del ph. Equilibrio ácido-base. ph de ácido y bases. Titulación ácido-base. Mi 01/09/10 Forma exacta de la curva de ph. Uso del equilibrio para estabilizar el ph. Uso del equilibrio para detectar cambios en el ph. Lu 06/09/10 Cinética química empírica. Técnicas experimentales. Monitoreo del progreso de una reacción. Aplicación de las técnicas Mi 08/09/10 Las velocidades de las reacciones. Definición de velocidad. 3
Lu 13/09/10 Ecuaciones de velocidad y constantes de velocidad Orden de reacción. Mi 15/09/10 Determinación del orden de una reacción. Ecuaciones de reacción integradas. Reacciones de primer orden. Lu 20/09/10 Vidas medias y constantes de tiempo. Mi 22/09/10 Reacciones de segundo orden. Lu 27/09/10 Reacciones cercanas al equilibrio. Reacciones de primer orden próximas al equilibrio. Mi 29/09/10 Dependencia de la velocidad de reacción a la temperatura. Parámetros de Arrhenius. Lu 04/10/10 Parámetros de Arrhenius. Interpretación de los parámetros. Mi 06/10/10 Primera prueba parcial. T-1 Lu 11/10/10 Explicación de las ecuaciones de velocidad. Reacciones elementales. Mi 13/10/10 Reacciones elementales consecutivas. Variación de la concentración con el tiempo. Lu 18/10/10 Etapa de velocidad determinante Aproximación al estado estacionario. Mi 20/10/10 Pre-equilibrio. Reacciones unimoleculares. Mecanismo de Lindemann- Hinshelwood. Energía de activación de estas reacciones. Lu 25/10/10 Reacciones en cadena. Ecuaciones de velocidad de reacciones en cadena. Explosiones. Mi 27/10/10 Cinética de polimerización. Polimerización por etapas. Polimerización en cadena. Lu 08/11/10 Catálisis homogénea. Características de la catálisis homogénea. Enzimas. Mi 10/11/10 Segunda prueba parcial. T-2 Lu 15/11/10 Encuentros entre reactivos. Teoría de las colisiones. Velocidad de colisiones en gases. Mi 17/11/10 Requerimiento de energía. Reacciones controladas por la difusión. Lu 22/11/10 Difusión y reacción. Ecuación de balance de material. Mi 24/11/10 Teoría del complejo activado. Ecuación de Eyring. Lu 29/11/10 Aspectos termodinámicos. Mi 01/12/10 Dinámica de las colisiones moleculares. Colisiones reactivas. Superficies de energía potencial Mi 08/12/10 Tercera prueba parcial. T-3 13-17/12/10 Examen Final Fecha 26/08/10 Laboratorio Contenido: Entrega de Material y limpieza. Indicaciones Generales. Factores que afectan a la posición de equilibrio. 02/09/10 Determinación de la constante de disociación ácida del rojo de metilo. 09/09/10 Respuesta del equilibrio a condiciones: ph e indicadores. Hidrólisis del acetato de metilo. 16/09/10 Factores que modifican la velocidad de una reacción 23/09/10 Hidrólisis del acetato de metilo (I). 30/09/10 Primera prueba parcial. L1 07/10/10 Hidrólisis del acetato de metilo (II). 14/10/10 Hidrólisis del acetato de etilo en medio básico por conductimetría. 21/10/10 Cinética de la reacción yoduro-persulfato. Efecto de un catalizador. 28/10/10 Cinética de la reacción de bromación de la acetona. 4
04/11/10 Segunda prueba parcial L2 11/11/10 Cinética de polimerización por etapas 18/11/10 Cinética de polimerización en cadena 25/11/10 Catálisis homogénea 02/12/10 Tercera prueba parcial L-3 09/12/10 Examen final L 6. METODOLOGÍA, RECURSOS: Clases Teóricas: Se exponen los temas mediante conferencias, promoviendo la participación de los alumnos. 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 propiedades 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. 7. EVALUACIÓN: CRONOGRAMA DE EVALUACIONES: Evaluación Fecha Evaluación Fecha Prueba T-1 06/10/10. Prueba L-1 30/09/10 Prueba T-2 10/11/10 Prueba L-2 04/11/10 Prueba T-3 08/12/10 Prueba L-3 02/12/10 Examen final T 13-17/12/10 Examen final L. 09/12/10. 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. 5
- 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 laboratorio Trabajos: Resolución de problemas, cuestionarios, taller. 2 3 Informes y trabajo de laboratorio Trabajos: Resolución de problemas, cuestionarios, taller. 2 3 Informes y trabajo de laboratorio Trabajos: Resolución de problemas, cuestionarios, taller. 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. FECHA DE ENTREGA DE CALIFICACIONES EN SECRETARÍA: Parcial No. 1 15 octubre Parcial No. 2 19 noviembre Parcial No. 3 10 diciembre 2 3 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. 6
Aprobado: Por el Consejo de Escuela f) Director de Escuela fecha: Por el Consejo de Facultad f) Decano fecha: 7
Asignatura: Fisicoquímica II Organización Docente Semanal SEMANA (1-17) N de horas de clases teóricas ACTIVIDADES DE INTERACCIÓN DOCENTE - ESTUDIANTES (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 Lectura de textos 4 Cap 1: Tema 1.1 2 semana ejercicios. Informe. 4 Taller 1 Cap 1: Tema 1.2 3 semana ejercicios. Informe 8 Taller 2 Cap 1: Tema 1.2 4 semana ejercicios. Informe 8 Cap 2: Tema 2.1 5 semana ejercicios. Informe 8 Cap 2: Tema 2.2 6 semana ejercicios. Informe 8 Cap 2 Tema 2.3 7 semana Prueba L-1 Preparación de prueba. Informe 8 Taller 3 Cap 2: Tema 2.4 y 2.5 8 semana ejercicios. Preparación de prueba 10 Prueba T-1 Cap 1 y 2 9 semana ejercicios. Informe 8 Cap 3: Tema 3.1 y 3.2 10 semana ejercicios. Informe 8 Taller 4 Cap 3: Tema 3.3 11 semana ejercicios. Informe 8 Cap 3: Tema 3.4 y 3.5 12 semana 4 Preparación de prueba. Informe 8 Prueba L-2 13 semana ejercicios. Preparación de prueba 10 14 semana Taller 5 Prueba T-2 Cap 3 ejercicios. Informe 8 Cap 4: Tema 4.1 y 4.2 8
15 semana 16 semana ejercicios. Informe 8 Taller 6 Cap 4: Tema 4.3 y 4..4 ejercicios. Informe. Preparación Taller 7 de prueba 10 Prueba L-3 Cap 4: Tema 4.5 17 semana Preparación de prueba 10 Prueba T-3 Cap 4 18 semana EXÁMENES 9