Químicas I y II, Matemáticas I y II, Laboratorio de Ciencia Básica I y II, Fisicoquímica I.

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facultad dE EstudIOs supErIOrEs zaragOza carrEra dE IngEnIEría químIca

árEa

prOgrama dE EstudIO

1. datos de identificación del programa.

nombre de la asignatura:

fIsIcOquímIca II

Prerrequisitos (temas aprendidos):

Químicas I y II, Matemáticas I y II, Laboratorio de Ciencia Básica I y II, Fisicoquímica I.

2. relación con el plan de estudios.

Contribución de la asignatura al perfil de egreso.

Contribuye con el campo relacionado con la termodinámica, a fin de que pueda adquirir los conocimientos que le permitan, lo que el plan de estudios relata:

“…El egresado de la carrera de Ingeniería Química de la FES Zaragoza tiene una visión integral y multidisciplinaria de las funciones que realizan las empresas que componen la industria de la transformación…ingeniería de procesos y proyectos…y en el campo de la investigación, participa en el diseño e innovación de métodos de producción y obtención de nuevos productos sustentables, contribuyendo así al desarrollo industrial…El ingeniero químico que se pretende formar deberá poseer los conocimientos esenciales, habilidades, aptitudes, valores y actitudes que a continuación se mencionan…Diseñar, calcular y montar equipos e instalaciones para la industria de procesos…

Analizar y entender los procesos físicos y químicos que producen las transformaciones de los Ciclo escolar al que pertenece:

Tercer Semestre

Número de horas:

Teóricas: 6 Prácticas: 2

Número de créditos: 14

Orientación académica:

Ciclo Básico

Fecha de elaboración:

20/03/2013

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materiales…Determinar la cantidad de los productos generados durante una reacción química a nivel industrial, así como la cantidad de energía involucrada, realizando para ello los balances de materia y energía correspondientes…Discernir cuales son los productos químicos que se obtienen durante una reacción química…Identificar, diseñar y operar los procesos de separación adecuados para la obtención de productos químicos con alta pureza… ”

En cuanto a las habilidades:

“…Integrar los conocimientos teóricos y prácticos y aplicarlos para resolver problemas reales…

Uso y manejo racional de los insumos que le corresponda administrar: combustibles, energía en sus diferentes formas, agua, aire, lubricantes…”

En cuanto a las actitudes:

“…Plantear soluciones creativas e innovadoras a los problemas de las Ingenierías, y en particular de la Ingeniería Química…”

En cuanto a los valores:

“…Conducirse con honorabilidad durante su ejercicio profesional…Prevenir, o en su efecto minimizar, la contaminación de los recursos naturales (aire, agua, suelo, subsuelo) por las actividades de las plantas de procesos químicos… Disminuir la generación de residuos de todo tipo en los procesos de transformación…”

Introducción a la asignatura.

Fisicoquímica II describe el comportamiento de las sistemas multicomponentes en los distintos equilibrios físicos-químicos y analizando desde el punto de vista energético y de la variable tiempo la factibilidad de los sistemas reaccionantes homogéneos y heterogéneos, de alcanzar el equilibrio para su optimización.

Ubicación del programa en el mapa curricular del plan de estudios, relación horizontal y vertical con otras asignaturas.

La asignatura de Fisicoquímica II se encuentra ubicada en el tercer semestre de la carrera, tiene relación horizontal con las asignaturas de Bioestadística, Química III y Laboratorio de Ciencia Básica III y vertical con las asignaturas: En el cuarto semestre, Balance de Masa y Energía. En el sexto,

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transferencia de calor. En el séptimo Termodinámica Química y Diseño de Equipo de Separación. En el octavo, Ingeniería de Reactores.

Relación con las funciones profesionales establecidas en el plan de estudios.

El plan de estudios describe las habilidades que el estudiante de la carrera habrá de lograr:

“…Analizar y entender los procesos físicos y químicos que producen las transformaciones de los materiales…Determinar la cantidad de los productos generados durante una reacción química a nivel industrial, así como la cantidad de energía involucrada, realizando para ello los balances de materia y energía correspondientes…Distinguir cuales son los productos químicos que se obtienen durante una reacción química…Identificar, diseñar y operar los procesos de separación adecuados para la obtención de productos químicos con alta pureza…”

Lo que se espera el alumno aprenda tanto aspectos teóricos como prácticos.

Con el estudio de esta asignatura, se pretende que el estudiante de esta licenciatura, comprenda y utilice, los conceptos fundamentales de la Termodinámica Química y Cinética Química, en el estudio de las diferentes Operaciones Unitarias de la Ingeniería Química.

3. Objetivos del programa.

Objetivo general:

Emplear los principios básicos de la Termodinámica y la Cinética Química, para el cálculo de las propiedades termodinámicas de sistemas multicomponentes homogéneos y heterogéneos en los diferentes equilibrios físicos y químicos, haciendo énfasis en las condiciones que se deben satisfacer para que los sistemas alcancen el equilibrio y efectuar los cálculos de la rapidez de la transformación.

Con todo lo anterior, se pretende que el estudiante desarrolle las habilidades necesarias para resolver problemas relacionados con los procesos que están involucrados en la Industria Química.

Objetivos específicos:

Unidad 1: Analizar el estudio del comportamiento de los sistemas multicomponentes, en las disoluciones y equilibrios de fase, homogéneos y heterogéneos, en los diferentes estados de agregación de la materia, así como los diferentes modelos matemáticos, ideales y no ideales, que se utilizan para determinar sus propiedades.

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Unidad 2: Calcular en el estudio de los efectos producidos por los cambios de la energía que están presentes en una reacción química; y las propiedades termodinámicas que se utilizan para determinar los criterios de espontaneidad y equilibrio de una reacción (DS, DH, DG), así como de las condiciones que deben satisfacerse para que la transformación química alcance el equilibrio.

Unidad 3: Inferir en el estudio de las reacciones, con base en los principios de la Cinética Química, la rapidez del cambio, así como los factores que afectan dicha transformación (concentración, temperatura, catalizadores, superficie de contacto) para calcular las cantidades de reactivos y productos obtenidos en un tiempo determinado, especificando la efectividad del proceso.

4. conocimientos. Habilidades.

cOntEnIdO tEmátIcO

unidad I. termodinámica de las mezclas homogéneas y heterogéneas y sus equilibrios de fases.

1. Aplicar los conceptos teóricos y modelos matemáticos ideales, que nos permiten acercarnos a la descripción termodinámica de los diferentes tipos de disoluciones (leyes de Raoult, Dalton y Henry).

2. Propiedades termodinámicas de las disoluciones. Modelos de disolución ideal y no ideal.

2.1 Concepto y propiedades termodinámicas de las disoluciones ideales.

2.2 DH, DV, DG y DS de mezclado de las disoluciones, ecuaciones que permiten el cálculo de las mismas.

2.3 Propiedades molares parciales, definición e importancia de este concepto en el estudio de las disoluciones.

2.4 Propiedades de exceso, definición e importancia de este concepto en el estudio termodinámico de las disoluciones.

3. Comportamiento de las disoluciones liquidas y modelos de soluciones 3.1 Ley de Raoult. Rango de aplicación del modelo matemático.

3.2 Potenciales químicos de los componentes de una disolución ideal.

3.3 Disoluciones con soluto no volátil, no electrólitos, variación de presión de vapor de temperatura de fusión y de temperatura de ebullición en función de la concentración del soluto, modelos lineales.

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cOntEnIdO tEmátIcO

3.4 Disoluciones, soluto sólido-disolvente líquido, propiedades coligativas (Dp, DTf, DTb).

3.5 Comportamiento y tratamiento empírico de las disoluciones electrolíticas, factores de Van’t Hoff, propiedades coligativas, grado de disociación.

3.6 Disoluciones líquidas, soluto líquido- solvente líquido, modelos matemáticos que permiten calcular las presiones de vapor de los componentes de la disolución.

3.7 Equilibrio líquido-vapor, diagrama presión, composición, diagrama temperatura-composición, regla de la palanca.

3.8 Destilación. Isotérmica, simple y fraccionada.

4. Comportamiento y modelos de disoluciones reales equilibrio liquido-vapor.

4.1 Desviaciones de la idealidad (positivas y negativas).

4.2 Azeótropos, definición y tipos.

4.3 Ley de Henry. Rango de aplicación del modelo matemático.

4.4 Concepto de actividad, tipos de sistemas utilizados para el cálculo de la actividad, coeficientes de actividad, cálculo de los coeficientes de actividad en los diferentes tipos de sistemas.

5. Comportamiento de disoluciones reales.

5.1 Equilibrio líquido-líquido

5.1.1. Líquidos parcialmente miscibles, diagramas temperatura - composición, temperatura de cosolución.

5.1.2. Destilación de líquidos parcialmente miscibles.

5.1.3. Inmiscibilidad en el estado líquido, destilación por arrastre de vapor.

5.2 Equilibrio solido-líquido.

5.2.1. Diagramas del eutéctico simple, diagramas temperaturas-composición para sistemas con formación de compuesto con punto de fusión congruente e incongruente (peritéctico).

5.2.2. Miscibilidad parcial en el estado sólido, equilibrio sólido-sólido.

5.3 Sistemas ternarios.

5.3.1. Diagrama de Gibbs-Roozeboom, manejo de diagrama.

5.3.2. Equilibrio líquido-líquido para sistemas ternarios, sistemas ternarios de líquidos parcialmente miscibles.

5.3.3. Equilibrio sólido-líquido en sistemas ternarios, solubilidad de sales, efecto del ion común.

no. dE HOras

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cOntEnIdO tEmátIcO

unidad II. sistemas químicos en equilibrio.

1. Termoquímica.

1.1 Aplicación de la Primera Ley a las reacciones químicas.

1.1.1 Ecuaciones químicas.

1.1.2 Estequiometría de la reacción.

1.1.3 Condiciones estándar.

1.1.4 Calor de reacción.

1.1.5 Calorimetría.

1.1.6 Reacciones exotérmicas y reacciones endotérmicas.

1.1.7 Tipos de calores.

1.1.8 Calor de formación.

1.1.9 Calor de combustión.

1.1.10 Calor de disolución.

1.1.11 Calor de descomposición.

1.2. Leyes de Lavoisier-Laplace y Hess. Cálculo del calor de reacción a presión y volumen constante.

1.3. Dependencia del calor de reacción con la temperatura. Ecuaciones de Kirchhoff.

2. Equilibrio químico.

2.1 DS, y DG de una reacción como criterios de espontaneidad y equilibrio.

Aplicación de la Segunda Ley de la Termodinámica.

2.2 Ley de Acción de Masas. Rapidez de una reacción química.

3. Análisis del equilibrio químico.

3.1 Grado de avance.

3.2 Ecuaciones fundamentales de la termodinámica en términos del grado de avance.

3.3 Constantes de equilibrio Kp, Ky, Kf y Kc para reacciones químicas con gases ideales y reales.

3.4 Reacciones homogéneas y heterogéneas.

3.5 Principio de Le Châtelier.

3.6 Dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura.

unidad III. Elementos de cinética química.

1. Cinética química y termodinámica.

1.1 Importancia del estudio cinético de una reacción química.

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cOntEnIdO tEmátIcO

1.2 Relación entre la cinética química y la termodinámica.

1.3 Velocidad de reacción, definición y cálculo. Tipos de reacciones, reacciones homogéneas y heterogéneas.

1.4 Clasificación de las reacciones. Molecularidad.

2. Factores que afectan la velocidad de reacción.

2.1 Efecto de la superficie de contacto.

2.2 Efecto de la presencia del catalizador.

2.3 Efecto de la presión.

2.4 Efecto de la temperatura. Regla de Thumbs.

2.5 Efecto de la concentración.

3. Orden de reacción.

3.1 Métodos gráficos para determinar el orden de la reacción.

3.2 Métodos analíticos para determinar el orden de la reacción.

3.3 Tiempo de vida media. Definición y uso en la determinación del orden de la reacción.

3.4 Reacciones del orden cero. Desintegraciones radioactivas.

3.5 Reacciones de primer y segundo orden en fase gaseosa o en fase líquida.

4. Aspectos teóricos acerca de las reacciones químicas.

4.1 Aportaciones de Arrhenius a la cinética química.

4.2 Teoría de la colisiones. Factor de frecuencia

4.3 Teoría del complejo activado. Energía de activación.

4.4 Dependencia de la energía de activación y la temperatura.

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5. Estrategias de aprendizaje.

aspEctOs tEórIcOs De la enseñanza del profesor:

• Exposición oral.

• Exposición audiovisual (uso de computadora, proyector, videogramas e internet).

Para promover la participación de los estudiantes.

• Ejercicios dentro de clase.

• Interrogatorio didáctico (consiste en desarrollar un tema a base de preguntas dirigidas a los estudiantes, previa preparación del tema por parte de ellos).

• Seminarios.

• Análisis, lectura en voz alta y resumen escrito, de las textos y material audiovisual revisados.

6. Evaluación del aprendizaje.

aspEctOs tEórIcOs

• Exámenes parciales de cada unidad del programa de la asignatura.

• Exámenes finales Ordinarios A y B.

• Ejercicios dentro de clase de problemas seleccionados para tal fin.

• Trabajo en equipo.

• Trabajos de investigación.

• Participación en clase.

• Trabajos y tareas extra clase.

• Exposición de temas de investigación incluidas en el programa.

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8. bibliografía.

Bibliografía básica:

• Abbott, M.H. (1987). Teoría y problemas de termodinámica. México: McGraw-Hill.

• Atkins, W.P. (2012). Fisicoquímica. México: Panamericana.

• Atkins, W.P. y Clugston, M.J. (2012). Principios de Fisicoquímica. México: Panamericana.

• Ball, D.W. (2004). Fisicoquímica. México: Thompson.

• Castellan, G.W. (2008). Fisicoquímica. México: Fondo Educativo Interamericano.

• Daniels y Farrington. (1986). Fisicoquímica. México: CECSA.

• Díaz Peña, R. (1985). Química física. México: Alhambra.

• Engel, T. y Reid. (2007). Introducción a la fisicoquímica. México: Pearson Educación.

• García Colín, L. (2004). Introducción a la termodinámica clásica. 3ª ed. México: Trillas.

• Garritz, A. y Costas, M. (1986). Los problemas resueltos. México: Fondo Editorial Interamericano.

• Gerasimov, Y. (1987). Fisicoquímica. Editorial MIR.

• Laidler, K.J. (1977). Cinética de reacciones reacciones homógeneas en fase gaseosa. Madrid:

Alhambra.

• Laidler, K.J. (1979). Cinética de reacciones reacciones en solución. Madrid: Alhambra.

• Latham, J.L. y Burgess, A.E. (1980). Elementos de cinética de reacciones. México: El Manual Moderno.

• Levine, I. (2009). Fisicoquímica. México: McGraw-Hill.

• Maron y Prutton. (1990). Fisicoquímica. México: Limusa.

• Tinoco, I.S. (1989). Fisicoquímica principios y aplicaciones en las ciencias biológicas. Pearson.

7. calificación.

aspEctOs tEórIcOs

Examen parcial escrito (60%)

Exámenes finales: Ordinarios A y B (100%).

Ejercicios dentro de clase y problemas seleccionados (10%).

Participación en clase (10%).

Trabajos de investigación (10%)

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Bibliografía complementaria:

• Barrow, G.W. (1983). Fisicoquímica. España: Reverté.

• Crockford, H.D. (1986). Fundamentos de fisicoquímica. México: CECSA.

• Chang, R. (1986). Fisicoquímica con aplicaciones biológicas. México: CECSA.

• Rock, P.A. (1980). Chemical thermodynamics. USA: Mc Graw-Hill.

• Ureta, B.E. (1985). Fisicoquímica. El equilibrio químico. México: Limusa.

• Zemansky, H. (1980). Heat and thermodynamics. USA: McGraw-Hill.

9. perfil docente.

Poseer una formación licenciatura y preferentemente posgrado tanto en el área de la Fisicoquímica u otra afín, así como en aspectos psicopedagógicos. 2 años de experiencia probada en la docencia, conocimientos del plan de estudios de la carrera.

10. propuesta de evaluación del cumplimiento del programa.

A. Convocar al claustro de profesores del área, a la mitad y al final de cada semestre, para recabar y analizar información, relacionada con las fortalezas y debilidades en la instrumentación del programa.

B. Diseño y aplicación por el claustro de profesores del área, un instrumento de evaluación, dirigido a los estudiantes, que permita evaluar la efectividad del programa.

11. responsables de la elaboración.

M. en C. Gloria Peralta Otáñez I. Q. José Miguel Flores Gálaz M. en I. Rafael Sánchez Dirzo Dr. José Ángel Rojas Zamorano

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Referencias

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