PLANIFICACIÓN DE ASIGNATURA I IDENTIFICACION GENERAL DE LA ASIGNATURA CARRERA DEPARTAMENTO ASIGNATURA PRERREQUISITOS CREDITOS (TEL) AÑO RÉGIMEN DE ASISTENCIA PALABRAS CLAVE HORAS PEDAGOGICAS BIOQUIMICA CIENCIAS DEL AMBIENTE FISICOQUIMICA I CÓDIGO 66112 Química General II, Matemáticas II 4-2-0 SEMESTRE Primer Semestre 2010 Obligatoria Termodinámica, energía, entalpía, energía libre, entropía, potencial químico, equilibrio químico, equilibrio de fases TEORIA 56 EJERCICIO 28 LABORATORIO 0 II DESCRIPCION DE LA ASIGNATURA El curso de fisicoquímica I tiene un carácter teórico cuya finalidad es permitir la interpretación de fenómenos macroscópicos en términos de modelos microscópicos y termodinámicos de la materia. Estos modelos incluyen los conceptos de cuantificación de la energía a nivel microscópico, y los principios de la termodinámica aplicados a sistemas de uno y varios componentes para moléculas neutras. Así como permitir establecer las situaciones de equilibrio y cambio físico con base en el concepto de entropía y de los criterios de espontaneidad. La conceptualización de los fenómenos macroscópicos en términos de estos modelos es fundamental para la formación científica básica del estudiante, permitiéndole estar capacitado para abordar los cursos de especialización posteriores del plan de estudio, como Química Orgánica, Química Analítica, y Bioquímica. III OBJETIVO GENERAL Al término de la asignatura, el alumno debe demostrar competencia en el conocimiento y la comprensión de los conceptos estándar que se definen en la fisicoquímica: Modelos microscópicos de la materia, Termodinámica, Energía, Entalpía, Energía Libre, Entropía, Potencial químico. Equilibrio químico, Equilibrio de fases. Además, debe demostrar competencia en el análisis, síntesis y evaluación de situaciones problemáticas conceptuales referidas a los mencionados conceptos estándar. IV CAPACIDADES A LOGRAR POR EL ALUMNO El profesional será capaz de valorar y aplicar el método científico, desde la perspectiva de la fisicoquímica, a su desempeño laboral. Deberá conocer las fuentes de información necesarias para la resolución de situaciones problemáticas en el ámbito de investigación básica y aplicada, desde una perspectiva fisicoquímica Proveer técnicas específicas para el manejo y gestión de la comunicación y del conocimiento científico en esta área. Contribución al desarrollo de competencias genéricas El profesional debe ser capaz de comprender y aplicar modelos científicos en una fase inicial. En una segunda fase, deberá ser capaz de proponer y evaluar modelos en consecuencia con la estructura teórica estándar. El desarrollo de estas capacidades le permitirá influir acertadamente en la solución de problemáticas en el contexto socio-laboral en el cual se desempeñe. Competencias procedimentales o instrumentales El alumno deberá demostrase competente en el manejo metacognitivo necesario para la construcción de su propio conocimiento científico pertinente a esta asignatura. Esto implica una adecuada identificación de los verdaderos alcances y limitaciones de los diferentes modelos fisicoquímicos. Esta competencia es proyectable a su futuro desempeño socio-laboral, tanto en el área empresarial como académica. V UNIDADES TEMÁTICAS UNIDAD I: Descripciones macroscópicas y microscópicas de la materia Aprendizajes Esperados Criterios de evaluación Interpretar cualitativamente el comportamiento experimental de sistemas macroscópicos en términos de la estructura microscópica de la materia y sus propiedades. Identifica las diferentes formas de energía a nivel microscópico y macroscópica Describe las diferentes formas de energía cinética y potencial a nivel microscópico. Explica el concepto de energía interna UNIDAD II: Energía cinética y temperatura. Aprendizajes Esperados Establecer relaciones cuantitativas entre parámetros experimentales de sistemas macroscópicos con los modelos fisicoquímicos basados en propiedades microscópicas Criterios de evaluación Relaciona el concepto de energía cinética con movimientos moleculares Describe la teoría cinética de los gases e interpreta presión y temperatura en ese modelo. Asocia las distintas formas de energía potencial a nivel microscópica con magnitudes macroscópicas. Nº HORAS 6 Contenidos Descripciones macroscópicas y microscópicas de sistemas materiales. El concepto de energía. “formas” de energías microscópicas. La energía a nivel microscópico. Energía cinética y potencial de las partículas constituyentes del sistema. Energía interna. Nº HORAS 3 Contenidos Energía cinética y su relación con movimientos moleculares. Caso del gas ideal: relación temperatura y energía cinética traslacional. Teoría cinética de los gases. Energía potencial entre átomos y moléculas. Relación con energías de enlace, calores de vaporización y energía electrónica. Visualización del estado gaseoso (ideal y real), líquido y sólido en términos de la energía cinética y potencial. UNIDAD III: Concepto de distribución Aprendizajes Esperados Aplicar el concepto de distribución estadística a diferentes sistemas. Aplicación de Distribuciones de velocidades y energías, continuas y cuantizadas a nivel microscópico. Criterios de evaluación Describe la ecuación de estado de un gas ideal en términos de un modelo cinético Relaciona los conceptos de distribución de velocidades y energía con sus valores medios Aplica las derivaciones matemáticas de distribuciones continuas y cuantizadas. UNIDAD IV: Primer principio de la termodinámica. Aprendizajes Esperados Criterios de evaluación Manejar los conceptos Describe el concepto de básicos de la función de estado. termodinámica. Aplica elementos de Establecer los procesos ecuaciones diferenciales a por los cuales el sistema funciones de estado intercambia energía con Aplica el primer principio de los alrededores. la termodinámica a procesos simples aplica la función energía interna y entalpía a procesos a P constante y volumen constante UNIDAD V: Segundo principio de la termodinámica Aprendizajes Esperados Establecer las relaciones entre las diferentes propiedades del sistema. Relacionar los parámetros Criterios de evaluación Describe y aplica el segundo principio a procesos espontáneos y de equilibrio, en base a Nº HORAS 3 Contenidos La ecuación de estado de un gas en términos de un modelo cinético. Distribuciones de energía y valores medios. Distribución de velocidades y su modificación por la temperatura. Distribución de Boltzman a partículas en un campo, aplicación a la distribución en un campo gravitacional. Nº HORAS 9 Contenidos Conservación de la energía Concepto de función de estado. Diferenciación entre propiedades de estado y propiedades no de estado Elementos de ecuaciones diferenciales aplicables a las variables de estado Propiedades extensivas e intensivas. Concepto de calor (Q) y trabajo (W). Trabajo útil. El primer principio con inclusión de la radiación Concepto de cambio de estado. Concepto de proceso. Distintos tipos de procesos. Concepto de ciclo y máquina Definición de entalpía. Definiciones termodinámicas con el calor a volumen (V) y presión (P) constante Nº HORAS 12 Contenidos Enunciado del segundo principio en términos de la creación de entropía. Dirección del flujo de calor y el equilibrio termodinámicos con propiedades observables del sistema. Distinguir entre procesos reversibles e irreversibles en términos de la generación de entropía (S). la creación de entropía Define la entropía del universo como criterio de espontaneidad Describe y Aplica la relación de la función entropía como variable de estado. Enuncia el tercer principio Interpreta el concepto entropía con desorden térmico. Transformación de trabajo en calor y de calor en trabajo. Máquinas térmicas. La entropía del Universo como criterio de espontaneidad y equilibrio. Aplicaciones a procesos adiabáticos. La entropía como función de estado. Su variación con la presión y la temperatura. El tercer principio de la termodinámica. Entropía y desorden. UNIDAD VI: Definiciones de las funciones G y A Aprendizajes Esperados Establecer criterios de espontaneidad y equilibrio en los cambios físicos y químicos a partir de las relaciones entre los valores de las funciones de estado y las características del proceso fisicoquímico Nº HORAS 6 Criterios de evaluación Describe y aplica los conceptos de energía libre y de Helmholtz como criterios de espontaneidad Recuerda la dependencia de la energía libre con variables de estado Calcula variaciones de energía libre y de Helmoltz a distintos procesos. Contenidos Concepto de energía libre de Gibbs (G) y de Helmholtz (A) y su relación con el trabajo máximo utilizable Relaciones entre las propiedades termodinámicas Energía libre de Gibbs y Helmotz como criterios de espontaneidad y equilibrio y su relación con el trabajo útil Expresiones de A y G en términos de volumen, temperatura y composición. Variación de G con la presión para el gas ideal. UNIDAD VII: Termodinámica en sistemas de varios componentes Aprendizajes Esperados Manejar el concepto de potencial químico y su utilidad para determinar la dirección del cambio espontáneo y las condiciones de equilibrio.. Criterios de evaluación Explica el concepto de propiedades molares parciales Define y aplica el concepto de potencial químico a sistemas de varios componentes. Nº HORAS 9 Contenidos Procesos a P y T constantes. Concepto de propiedad molar parcial. Aplicaciones a los volúmenes Evaluación de propiedades molares parciales, expresión de propiedades extensivas en términos de las propiedades molares parciales La ecuación de Gibbs-Duhem Potencial químico Variaciones del potencial químico con la P y la T Relaciones entre propiedades molares parciales UNIDAD VIII: Equilibrio de fases en sistemas de un componente Aprendizajes Esperados Aplicar los principios y relaciones de la termodinámica a los cambios físicos de las sustancias químicas del entorno. Derivar expresiones matemáticas que correlacionen la variación de la temperatura del cambio de fase con la composición de una solución. Criterios de evaluación Define la propiedad general de equilibrio de fases Aplica la regla de las fases en equilibrio de fases de un componente Interpreta los equilibrios de fases en términos de potenciales químicos Aplica las ecuaciones de Clausius y Clausius Clapeyron. Define y compara transiciones primer orden y ordenes superiores UNIDAD IX: Sistemas de dos componentes Aprendizajes Esperados Aplicar el concepto de potencial químico en la descripción de las propiedades físicas de una mezcla. Relacionar el concepto de potencial químico con las medidas experimentales de presión de vapor, y la temperatura de vaporización, con la composición de la solución. Criterios de evaluación Aplica el concepto de potencial químico a equilibrios líquido vapor en sistemas de dos componentes. Define el comportamiento de solución ideal Interpreta y calcula diagramas de equilibrio líquido vapor de sistemas de dos componentes con comportamiento ideal Identifica el concepto de actividad con relación al potencial químico Nº HORAS 6 Contenidos Propiedad general del equilibrio de fases La regla de las fases Aplicaciones a equilibrios de fases de un componente. punto triple El principio de Le Chatellier. Ecuaciones de Clausius y Clausius-Clapeyron Transiciones de fase de orden superior, polímeros y membranas. Nº HORAS 6 Contenidos Sistemas de dos componentes Equilibrio líquido-vapor Soluciones ideales Propiedades termodinámicas Destilación. Concepto de actividad. Comportamientos límites UNIDAD X: Soluciones diluidas Aprendizajes Esperados Explicar el significado de la solución ideal y diluida ideal. Relacionar la composición de un líquido y su vapor con la presión total y presiones parciales de vapor. Describir como los cambios de presión y temperatura afectan las características de ebullición y congelación en líquidos y sólidos Criterios de evaluación Describe el comportamiento de solución diluida Aplica las leyes de Henry y Roault en soluciones diluídas Interpreta desviaciones positivas y negativas respecto al comportamiento ideal y diluído Maneja distintas expresiones de potencial químico de soluto en soluciones y sus respectivos estados de referencia Interpreta medidas termodinámicas de soluciones de gases en líquidos con relación a interacciones intermoleculares y efecto hidrofóbico Explica las propiedades coligativas con base en potenciales químicos Aplica propiedades coligativas para determinar concentraciones y peso molecular UNIDAD XI: Soluciones reales Aprendizajes Esperados Describir el comportamiento de soluciones reales y la termodinámica de estos sistemas. Criterios de evaluación Determina actividades y coeficientes de actividad en soluciones reales a partir de diagramas de equilibrio Describe las condiciones necesarias para la formación de azeótropos Describe y Aplica las funciones energía libre, entropía, volumen y entalpía a mezclas reales Nº HORAS 6 Contenidos Comportamiento de las solvente y soluto en las soluciones diluídas, ley de Henry. Termodinámica de las soluciones diluídas Desviaciones positivas y negativas al comportamiento ideal Soluciones de gases y sólidos en líquidos. Expresiones del potencial químico del soluto en distintas unidades de concentración Propiedades coligativas Nº HORAS 6 Contenidos Soluciones reales con desviaciones positivas y negativas a la ley de Raoult. Diagramas de equilibrio líquidovapor para sistemas con Azeótropos. Termodinámica de soluciones reales: energía libre de mezcla, entalpía de mezcla, volumen de mezcla, entropía de mezcla. Determinaciones de coeficientes de actividad en soluciones reales. Destilación de soluciones reales. UNIDAD XII: Equilibrio de fases en sistemas multicomponentes Aprendizajes Esperados Construir e interpretar diagramas de fases de mezclas binarias y terciarias. Aplicar la regla de las fases a sistemas binarios y terciarios. Criterios de evaluación Interpreta diagramas de fases para mezclas binarias. Define inmiscibilidad parcial con potenciales químicos y equilibrio de soluciones conjugadas Interpreta y calcula diagramas de equilibrio y curvas de enfriamiento en equilibrio sólido-líquido. Define eutéctico Interpreta diagramas de equilibrio sólido gas Representa equilibrios para sistemas de varios componentes Nº HORAS 9 Contenidos Criterios de equilibrio Criterios de estabilidad termodinámica Líquidos parcialmente miscibles. Termodinámica de líquidos totalmente inmiscibles. Destilación Equilibrio líquido-sólido Curvas de enfriamiento. Análisis térmico diferencial Eutécticos. Equilibrio sólido-gas, hidratos. Diagramas ternarios Sistemas de tres líquidos. Sistemas de dos líquidos y una sal Sales dobles Metodología y actividades asociadas Metodología. La presentación de los contenidos se realiza en forma de clases expositivas. Como (soportes) medios audiovisuales se utilizan la pizarra y presentaciones en datashow. Las clases son interactivas y promueven la participación de los alumnos mediante la resolución de ejercicios en forma progresiva en el desarrollo de las distintos temas. Como fuentes de información se utiliza un texto guía elaborado por académicos del área de Fisicoquímica de la Facultad, editado por la Universidad de Santiago, y se propicia la consulta a otros textos dependiendo de los temas específicos. El hábito de autoaprendizaje de los alumnos se incentiva además, mediante la resolución de ejercicios y problemas en clases de ejercicios, de manera paralela a la teoría de la asignatura. Además, se emplean sitios blogs en Internet diseñados por los profesores para discusión de las clases. Evaluación de las Unidades Esta asignatura deja plena libertad a los académicos que la dictan para fijar el número, tipo y ponderación de las formas de evaluación, así como la existencia o no existencia de un Examen (Reglamento General del régimen de estudio de pregrado para alumnos ingresados a partir del año 2000, Universidad de Santiago de Chile). El plan de estudios contempla 56 créditos de teoría y 28 de ejercicios, de manera que los profesores dispongan, dentro de las 17 semanas del semestre, de un máximo de 18 créditos para la evaluación de las clases de teoría y ejercicios, según se establezca al comienzo del curso. No obstante, se sugiere la evaluación de las unidades en 4 pruebas parciales y un examen de reemplazo con la ponderación descrita en el punto V Tipo e instrumento contexto Evaluación sumativa en prueba parcial 1 Evaluación sumativa en prueba parcial 2 Evaluación sumativa en prueba parcial 3 Sala de clases Sala de clases Sala de clases VI PONDERACIÓN DEL PROCESO EVALUATIVO Prueba parcial 1 Prueba parcial 2 Prueba parcial 3 Examen 33.3% 33.3% 33.3% * (*) Sólo se eximen del examen los alumnos con todas sus notas superiores a 4.0 y que la nota del examen reemplace el puntaje más bajo ponderándose con un 25%. VII BIBLIOGRAFIA BÁSICA E. Abuin, E. Lissi, M. Paez, M. S. Ureta. Curso de Fisico-Química. Editorial Universidad de Santiago de Chile, Santiago, Tomo I, 2003 COMPLEMENTARIA P. W. Atkins. Physical Chemistry, Oxford University Press, 6th edition, 1999. Levine. Fisicoquímica. Mc Graw Hill, 4ª edición, 1996, Vol.1, G. Castellan. Fisicoquímica. Addison-Wesley Iberoamericana, 2ª edición, 1987.
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