FISICOQUIMICA IIngeniera QumicaDr. Alberto L. Capparelli1CURSO DE FISICOQUMICA BSICAOBJETIVOS DE LA FISICOQUMICAESTUDIAR LOS PRINCIPIOS QUE GOBIERNAN LAS PROPIEDADES Y EL COMPORTAMIENTO ALAS PROPIEDADES Y EL COMPORTAMIENTO A NIVEL MACROSCPICO Y MICROSCPICO DE LOS SISTEMAS DE INTERS EN EL CAMPO DE LAS CIENCIAS QUMICAS Y BIOLGICASDESARROLLAR E INTERPRETAR LAS MODERNAS TCNICAS EMPLEADAS PARA DETERMINAR LA ESTRUCTURA YDETERMINAR LA ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LA MATERIAFUNDAMENTAR Y ESTABLECER LAS BASES DE LOS DESARROLLOS DE ANALTICOS Y TECNOLGICOS2ESTRUCTURA DE LA FISICOQUMICAElectro-Sensores y biosensoresQumica AnalticaEnergas alternativasQumica Biofisico-FISICOQUMICAMecnica cunticaEspectros-Termodi-nmicaCintica qumicaElectro-qumicaSuperficies TransporteQUMICAFSICA Y MATEMTICANanocienciasQumica AmbientalBiofisico-qumicaTcnicas de 3Espectros-copaNanocienciasNanotec-nologasProcesos ecocompatiblesCiencia de los materialesTcnicas de seguridadHERRAMIENTAS LEYES DE LA FSICA MATEMTICAS QUMICA4Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 1TEMARIO A CUBRIR EN EL CURSOBIBLIOGRAFIAFUNCIONAMIENTO DEL CURSO5QUE ESTUDIA LA QUMICA LA QUMICA ES LA CIENCIA QUE ESTUDIA LAS TRANSFORMACIONESESTUDIA LAS TRANSFORMACIONES QUE EXPERIMENTAN LAS SUSTANCIAS BAJO LA ACCIN DE AGENTES FSICOS (TEMPERATURA, PRESIN, CAMPOS ELCTRICOS, LUZ, etc.) Y POR CAMBIOS EN SU NATURALEZA POR ACCIN DE OTRAS SUSTANCIAS.6BIBLIOGRAFA TEORAS I. LEVINE, FISICOQUMICA I. LEVINE, FISICOQUMICA (5ta edicin) P.M. ATKINS, FISICOQUMICA (3rdEd y 6thEd) J. de PAULA & P.M. ATKINS, FISICOQUIMICA, 8vaEd. G. CASTELLAN, FISICOQUMICA (2da Ed) J. de PAULA & P.M. ATKINSELEMENTS OF PHYSICAL CHEMISTRY (4thEd) APUNTES DE CTEDRA T. ENGEL & P. REID T. ENGEL & P. REID, INTRODUCCIN A LA FISICOQUMICA: TERMODINMICA. PARA LABORATORIOS PARA LABORATORIOS FINDLAY-LEVITT: PRCTICAS DE FISICOQUMICA S. GLASSTONE: TRATADO DE QUMICA FSICA S. GLASSTONE: ELEMENTOS DE FISICOQUMICA.7TEMARIO A CUBRIR PROPIEDADES DE LA MATERIA. Gases. Teora cintica de los gases. Gases reales. Ley de los estados correspondientes. Desarrollos del virial. Modelos. Teorema del virial. Expresin general para el segundo coeficiente del virial. TERMODINMICA DEL EQUILIBRIO Principios de la termodinmica macroscpica,Principios de la termodinmica macroscpica, Energa libre. Fugacidad. Transformaciones fsicas de las sustancias, puras. TERMOQUMICA Termodinmica de las reacciones qumicas. SISTEMAS DE MULTICOMPONENTES Termodinmica de mezclas. Potencial qumico. Transformaciones de fase SOLUCIONES IDEALES Y REALES. SOLUCIONES IDEALES Y REALES. Soluciones ideales. Propiedades coligativas. Soluciones reales. Concepto de actividad, EQUILIBRIO QUMICO Equilibrio qumico, ELECTROQUMICA DEL EQUILIBRIO Electrodo aislado. Potencial de Galvani. Tipos de electrodos. Pilas. Potencial de electrodo. Convenciones. Pilas de concentracin.8Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 2DESARROLLO DEL CURSOPRIMER SEMESTRE EQUILIBRIO (Concepto de equilibrio)SEGUNDO SEMESTRE MOVIMIENTO Y CAMBIO (Transporte y cintica qumica) ESTRUCTURA DE LA MATERIA9FUNCIONAMIENTO DEL CURSO CLASES TERICAS SEMINARIOS- EXPERIMENTOS CLASES DE LABORATORIO Desarrollo de habilidades manuales, Manejo de instrumental sencillo,Manejo de instrumental sencillo, Evaluacin de propiedades fisicoqumicas y su interpretacin, Construccin de grficos, anlisis de resultados, bsqueda de correlacionesEn este nivel, se busca introducir y ejercitar al estudiante en el procesamiento de la informacinestudiante en el procesamiento de la informacin experimental mediante el empleo de programas de clculos computacionales, manejo de planilla de clculo e anlisis estadstico. 10FUNCIONAMIENTO DEL CURSO CLASES TERICAS SEMINARIOS- EXPERIMENTOS Para la realizacin del trabajo experimental se requiere de conocimientos mnimos. Existe un interrogatorio previo a cada trabajo experimental. El desempeo de los alumnos en el desarrollo del laboratorio permite establecer una notaen el desarrollo del laboratorio permite establecer una nota conceptual que se considera en el proceso de evaluacin general. Nivel de conocimientos mnimos: los aprendidos en los cursos de Qumica General e Introduccin a la Qumica EVALUACINCLASES DE CONSULTA A CARGO DEL Dr. CAPPARELLI LOS MARTES DE 14:30 A 17:00 h POR CORREO ELECTRNICO (fisicoquimica2002@yahoo.com.ar)11FUNCIONAMIENTO DEL CURSO CLASES TERICAS SEMINARIOS- EXPERIMENTOS Para la realizacin del trabajo experimental se requiere de conocimientos mnimos. Existe un interrogatorio previo a cada trabajo experimental. El desempeo de los alumnos en el desarrollo del laboratorio permite establecer una notaen el desarrollo del laboratorio permite establecer una nota conceptual que se considera en el proceso de evaluacin general. Nivel de conocimientos mnimos: los aprendidos en los cursos de Qumica General, Introduccin a la Qumica, y Qumica Analtica. EVALUACIN EVALUACIN CLASES DE CONSULTA PERSONALES EN HORARIOS A DEFINIR CLASES DE CONSULTA POR CORREO ELECTRNICO (fisicoquimica2002@yahoo.com.ar)12Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 3SOBRE EL PROCESO DE ENSEANZA YSOBRE EL PROCESO DE ENSEANZA Y APRENDIZAJE13 En los textos relacionados con la enseanza de las ciencias se observa: Contenidos desactualizados y/o cristalizados, Incorporacin de ideas como verdades incuestionables,incuestionables, Imgenes inadecuadas para que ciertos conceptos puedan asimilarse con sentido fsico. Ejemplos: el tomo de Bohr y sus rbitas El espn del electrn y su giro alrededor de su eje! La estructura del ncleo atmico La estructura del ncleo atmico La naturaleza del enlace qumico La enseanza de reglas y sus excepciones, sin analizar las ideas centrales que conducen a ellas, es una va poco confiable para el aprendizaje serio.14LA NATURALEZA DEL TOMODIMENSIONEStomo 10-10mESTA ES UNA Ncleo 10-14mProtones yneutrones 10-14mElectrn < 10-18mESTA ES UNA VISIN ACEPTABLE DEL TOMO DESDE HACE 40 AOS!!!SIN EMBARGO ENSIN EMBARGO EN LOS CURSOS PRE-UNIVERSITARIOS Y UNIVERSITARIOS SE MANTIENE LA DESCRIPCIN PREVIAA 195015The size of the protonVol 466|8 July 2010| doi:10.1038/nature0925020101 fm=10-15m2010Nuevos resultados conducen a re-interpretar y reformular modelos previos16Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 4SOBRE EL ENLACE QUMICOCharles A. Coulson, uno de los qumicos tericos que en la primera mitad del siglo XX contribuy de manera importante al desarrollo de la estructura molecular aplicada a problemas de la qumica en general. problemas de la qumica en general.Refirindose a sus propias contribuciones sobre enlaces moleculares, coment que estas imgines le parecan tan reales y cuya utilidad era incuestionable por su potencial, que hasta el mismo crea en ellas. 17SOBRE EL ENLACE QUMICOCoulson era consciente de que los enlaces qumicos como tales no constituan algo real, y que su representacin provena de su propia imaginacin. En sus propias palabras: "sometimes it seems to me that a bondEn sus propias palabras: "sometimes it seems to me that a bond between two atoms has become so real, so tangible, so friendly, that I can almost see it. Then I awake with a little shock, for a chemical bond is not a real thing. It does not exist. No one has ever seen one. No one ever can. It is a fragment of our own imagination".(Citado por Stephen K. Ritter, The Chemical Bond, Chemical & Engineering News, 85(5), January 29, 2007)Un aspecto a tener en cuenta es que los modelos suelen serUn aspecto a tener en cuenta es que los modelos suelen ser ideas que potencian nuevos descubrimientos, pero es importante no cristalizarlos como verdades incuestionables18TENDENCIAS EN LA QUMICA Y LA FSICOQUMICA ACTUAL LAS NUEVAS DISCIPLINAS LAS NUEVAS TECNOLOGAS LOS CAMBIOS DE PARADIGMAS19ALCANCES DE LA QUMICA MODERNA EN OTROS CAMPOSNotas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 5CIENCIA DE LOS MATERIALES:Nanotecnologaalimentos y biotecnologa, textiles, ingeniera ambiental, ingeniera CIENCIA DE LA SALUDestudios farmacolgicos, se basan en procesos e interaccionesva sustancias qumicas.PROCESOS VITALES Y METABLICOS:respiracin, comer y digerir, procesos enzimticos, oler y el gusto, el control QUMICAambiental, ingeniera nuclear y electrnicagusto, el control hormonal,ARQUEOLOGADatar restos orgnico (istopo 14C), composicin de tintes, metales, Preservacin de patrimonio cultural,INGENIERAS, particularmente Ingeniera Qumicade patrimonio cultural,CIENCIAS FORENSESQUMICA AMBIENTALNanotubos de carbonoQUMICA, FISICOQUMICA YQUMICA, FISICOQUMICA Y NANOCIENCIAS.METAMATERIALESNANOCIENCIAS Y NANOTECNOLOGA RELEVANCIA DEL CARCTER NO CLSICO DE LA MATERIA DESAFO A LAS NOCIONES ASOCIADAS CON EL SENTIDOOMN -EFECTO TNEL. NUEVAS MICROSCOPAS A RESOLUCIN ATMICAMOLECULAR. SU IMPACTO EN LA CIENCIAS QUMICAS Y MOLECULAR. SU IMPACTO EN LA CIENCIAS QUMICAS YBIOLGICAS23NANOCIENCIAS Y NANOQUMICATCNICAS MODERNAS DE ESTUDIO DE SUPERFICIES tomos de Cobalto (Co) dispuestos sobre una superficie de Cuformando una elipse, con un tomo de Co adicional colocado en sufoco,.Es posible ver una imagen atenuadaen la posicin del segundo foco que en la posicin del segundo foco queno corresponde a ningn tomo decobalto (ver la flecha).Este es un espejismo que semanifiesta por el carcter cunticode las propiedades de los tomos.El carcter ondulatorio de loselectrones de Cu genera en losbordes de la elipse una imagen que24bordes de la elipse una imagen quese refleja y forma una imagen enese foco desocupado. Laimportancia de este tipo demanipulacin de la materia presentaimportantes aplicaciones en el diseode nanocircuitos.Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 6NUEVAS REASLAS BATERAS DEL FUTURO DEBERN SER SEGURAS Y ESTAR INTEGRADA AL CONCEPTO DE SUSTENTABILIDAD AMBIENTAL25 LOS METAMATERIALES Y SUS FASCINANTES PROPIEDADES PTICAS.. y la tecnologa para invertir la direccin natural de lo visible, as como de la luz infrarroja (mayor resolucin de imgenes pticas, nanocircuitos de alta potencia en ordenadores, y Harry Potter (?) Materiales e invisibilidad.26Las propiedades que proceden de la estructura diseada y no de su composicin, es decir, son distintas a las de sus constituyentes.NUEVAS TENDENCIAS EN LAS CIENCIAS QUMICA Bioinorgnica, Qumica de superficies,Nanoqumica Qumica combinatoria -bsqueda de propiedades que puedan ser empleados en estudios farmacuticos, en el desarrollo de sensores o en estudios genmicos. La catlisis heterognea y homognea : implicancias en procesos de produccin industrial, Nanoqumica Foto-electroqumica. de produccin industrial, como en biocatlisis, Qumica organometlicaQumica La qumica y fisicoqumica de NUEVOS CAMPOS DE LA QUMICA Y LA FISICOQUMICAQumica supramolecularQuimio-informticafisicoqumica de polmeros. Los polmeros estn integrados a nuestra vida diariaQumica VerdeAstroqumicaEnergas alternativasNotas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 7NUEVOS AVANCES DE LA QUMICALos avances recientes en la qumica, basados en los conocimientos fisicoqumicos, permiten desarrollar mtodos e intrumentos modernos para:mtodos e intrumentos modernos para: Detectar cantidades del orden del picogramo (10-12g)Estudiar procesos en tiempos del orden del femtosegundo(10-15segundos), lo que ha dado lugar al surgimiento de la femtoqumica, surgimiento de la femtoqumica,Investigar procesos relacionados con procesos electrnicos en escala de tiempo del orden al atosegundo(10-18segundos)Nuevas vas de sntesis, incluso para productos tradicionales Sustitucin creciente de reactivos peligrosos (empleo de cidos slidos en lugar de cidos lquidos Desarrollo de nuevos solventes y medios de reaccin, Procesos en QUMICA VERDEcidos lquidos altamente corrosivos)fluidos supercrticosReacciones en medios inicos. Empleo de los subproductos desubproductos de reaccin como materia prima en otros procesos tecnolgicos.Reacciones fotoqumicas en agua supercrtica disminucin y reduccin de residuosMS DE UN SIGLO DE AVANCES CIENTIFICOS-TECNOLGICOS 31 LA CIENCIA A FINALES DEL SIGLO XIX A FINES DEL SIGLO XIX Y AN A PRINCIPIOS DEL A FINES DEL SIGLO XIX Y AN A PRINCIPIOS DEL SIGLO XX, LA GRAN MAYORA DE LOS CIENTFICOS SUPONAN QUE SE CONOCAN LOS PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DEL COMPORTAMIENTO DEL UNIVERSO FSICO,Y QUE EL ESTUDIO DE LA 32UNIVERSO FSICO,Y QUE EL ESTUDIO DE LA FSICA PODA DARSE POR CONCLUIDO, SIN GRANDES DESCUBRIMIENTOS HACIA ADELANTENotas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 8 EN LA TRANSICIN DEL SIGLO XIX AL SIGLO XX, A UNEN LA TRANSICIN DEL SIGLO XIX AL SIGLO XX, A UN CIUDADANO CULTO PROBLEMENTE LE RESULTARACIUDADANO CULTO PROBLEMENTE LE RESULTARA DIFCIL ACEPTAR LOS AVANCES QUE SE GESTABANDIFCIL ACEPTAR LOS AVANCES QUE SE GESTABANDIFCIL ACEPTAR LOS AVANCES QUE SE GESTABANDIFCIL ACEPTAR LOS AVANCES QUE SE GESTABAN EN SU TIEMPO, Y QUE MODIFICARAN RADICALMENTEEN SU TIEMPO, Y QUE MODIFICARAN RADICALMENTE LA PERCEPCIN DE LA CIENCIA, LA TECNOLOGA Y ALA PERCEPCIN DE LA CIENCIA, LA TECNOLOGA Y A LA MANERA DE PERCIBIR SU ENTORNO Y FORMA DELA MANERA DE PERCIBIR SU ENTORNO Y FORMA DE VIDA VIDA33VIDA VIDAALGUNAS REFLEXIONES TODOS ESTOS HECHOS SE GENERARONTODOS ESTOS HECHOS SE GENERARON EN LOS LABORATORIOS DEEN LOS LABORATORIOS DE INVESTIGACIN, PRINCIPALMENTEINVESTIGACIN, PRINCIPALMENTE EUROPEOS, Y CUYAEUROPEOS, Y CUYA UTILIDADUTILIDAD NO ERANO ERA EVIDENTE.EVIDENTE. 34EVIDENTE.EVIDENTE. 1900, MAX PLANCK DA EL PUNTAPI INICIAL1900, MAX PLANCK DA EL PUNTAPI INICIAL QUE MARCAR EL NACIMIENTO DE LAQUE MARCAR EL NACIMIENTO DE LA MECNICA CUNTICA. MECNICA CUNTICA. MECNICA CUNTICA. MECNICA CUNTICA. ESTE DESCUBRIMIENTO, CUYO NIVEL DEESTE DESCUBRIMIENTO, CUYO NIVEL DE ABSTRACCIN ES EVIDENTE, ES LA QUE TIENEABSTRACCIN ES EVIDENTE, ES LA QUE TIENE UN IMPACTO FUNDAMENTAL EN LA SOCIEDAD YUN IMPACTO FUNDAMENTAL EN LA SOCIEDAD Y 35SUS HBITOS (SIN QUE MUCHOS SE DENSUS HBITOS (SIN QUE MUCHOS SE DEN CUENTA DE ELLO). CUENTA DE ELLO). EL IMPACTO DE LA MECNICA CUNTICALA REVOLUCIN DE LA ELECTRNICA Y LA INVENCIN DEL CHIP, LAS SUPERCOMPUTADORAS, EL AUMENTO DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE DATOS Y LA VELOCIDAD DEALMACENAMIENTO DE DATOS Y LA VELOCIDAD DE PROCESAMIENTO GENOMA HUMANO, LA NANOTECNOLOGA, LA RESONANCIA MAGNTICA NUCLEAR Y SUS APLICACIONES A LA QUMICA, BIOQUMICA Y LA BIOMEDICINA36QUMICA, BIOQUMICA Y LA BIOMEDICINALA MEDIDA DE TIEMPOS DEL ORDEN DE 10-15s (AL MENOS HACIA 1990), Y HOY, PLANTEAR ESTUDIOS DE PROCESOS EN EL ATOSEGUNDO (10-18 s)Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 9 EL IMPACTO DE LA MECNICA CUNTICA LA MECNICA CUNTICA LA MECNICA CUNTICA EN TODAS LAS REAS DEL CONOCIMIENTO CIENTFICO,ESTA DISCIPLINA ES EL MOTOR DE CAMBIOS PROFUNDOS DE LOS PARADIGMAS QUE HASTA HAN CAMBIADO LA FORMA DE ENCARAR ESTUDIOS EN FILOSOFA, AS COMO EN EL DESARROLLO DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGA37CIENCIA Y LA TECNOLOGAY LA VELOCIDAD DE LOS CAMBIOS CON BASE EN LA MECNICA CUNTICAES MUY ALTA ..ALGUNAS REFLEXIONES TODAVA, LA FORMACIN EN NUESTRA SOCIEDADTODAVA, LA FORMACIN EN NUESTRA SOCIEDAD NO HA INCORPORADO COMO UN VALOR PROPIONO HA INCORPORADO COMO UN VALOR PROPIONO HA INCORPORADO COMO UN VALOR PROPIONO HA INCORPORADO COMO UN VALOR PROPIO ESTAS NOCIONES QUE HAN CAMBIADO SU VIDA SINESTAS NOCIONES QUE HAN CAMBIADO SU VIDA SIN HABERLAS COMPRENDIDO, HABERLAS COMPRENDIDO, EN CONSECUENCIA, TAMPOCO SE INCORPORAN ENEN CONSECUENCIA, TAMPOCO SE INCORPORAN EN LA FORMACIN PREUNIVERSITARIA Y ANLA FORMACIN PREUNIVERSITARIA Y AN UNIVERSITARIA,UNIVERSITARIA, 38UNIVERSITARIA,UNIVERSITARIA, ALGUNOS AVANCES EN LOS LTIMOS 20 AOS ALGUNOS AVANCES EN LOS LTIMOS 20 AOS LOS NUEVOS FRMACOS Y LOS MTODOS DE QUIMICA COMPUTACIONAL APLICADA EN ESTE PROCESO LA CLONACIN Y CLULAS MADRES RESULTADO DE LA CLONACIN Y CLULAS MADRES RESULTADO DE LOS AVANCES DE LA GENTICA LOS CELULARES QUE PERMITE QUE NOS COMUNIQUEMOS A DISTANCIA Y EL ENVIO DE VOLMENES SIGNIFICATIVOS DE INFORMACIN EL DESARROLLO LA TV DIGITAL Y LA TRANSMISIN 39 EL DESARROLLO LA TV DIGITAL Y LA TRANSMISIN DE INFORMACIN A TRAVS DE SATLITES ARTIFICIALES INTERNET INTERNET CON TODO SU POTENCIAL. AVANCES EN EL ALMACENAMIENTO DE INFORMACIN EN ESTADOS ELECTRNICOS DE TOMOS Y/O MOLCULAS TELEPORTACIN QUE SE TELEPORTARATELEPORTARA INFORMACIN DEL ESTADO DE UNA PARTCULAINFORMACIN DEL ESTADO DE UNA PARTCULADE UNA LUGAR A OTRO SIN DESPLAZARLA. ENTRELAZAMIENTO CRIPTOGRAFA CUNTICA CON LAS TCNICAS 40 CRIPTOGRAFA CUNTICA CON LAS TCNICAS ACTUALES SE TRABAJA SOBRE PARTCULAS ELEMENTALES, TRANSMITIENDO LA INFORMACIN DE UN LUGAR A OTRO O CREANDO UNA COPIA DEL OBJETO ORIGINAL EN UN NUEVO LUGAR.Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 1041 42CONCEPTOS Y NOCIONESCONCEPTOS Y NOCIONES BSICAS43DIFERENCIAR ENTRE REGLAS Enuncian relaciones no siempre generales. Ejemplo: regla de Trouton, regla de Pauling de los radios cristalinos en slidos inicos. cristalinos en slidos inicos. Excepciones LEYES Enuncian resultados generales resultantes de la observacin experimental dentro de los lmites en el que se han efectuado dichas observaciones Ejemplos. Las leyes de Newton, leyes de la Ejemplos. Las leyes de Newton, leyes de la termodinmica, etc.44Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 11DIFERENCIAR ENTRE HIPTESIS Formulacin de conjeturas razonables con el fin de dar explicaciones a los fenmenos observables en trminos de conceptos fsicos y qumicos fundamentales sobre la queconceptos fsicos y qumicos fundamentales sobre la que se puede sustentar una ley, Formulacin de modelos. Ventajas y limitaciones. Ejemplo. tomo de Bohr. Verificacin de las hiptesis. Nuevos avances en el campo del conocimiento. TEORAS TEORAS Resultan del xito de hiptesis y modelos exitosos que explican en un sentido muy amplio distintos tipos de fenmenos fsicos, qumicos y biolgicos. Las teoras aceptadas como tales en una poca pueden ser descartadas en otra. Es la base del progreso en el conocimiento.45CONCEPTOS BSICOS CONCEPTO DE EQUILIBRIO VARIABLES EXTENSIVAS. Ejemplos MASAMASA CAPACIDAD CALORFICA ENERGA INTERNA, ENTALPA, ENTROPA VARIABLES INTENSIVAS. Ejemplos PRESIN TEMPERATURATEMPERATURA DENSIDAD CAPACIDAD CALORFICA MOLAR ENERGA INTERNA MOLAR, ENTALPA MOLAR, ENTROPA MOLAR46ENERGA Y TEMPERATURA La energa es una propiedad inherente de la materia, Puede definirse como la capacidad de un sistema para realizar trabajo, La energa no se crea ni se destruye, pero puede transformarse en distintas formas de energas. En un SISTEMA AISLADO la energa es constante independientemente de las transformaciones que ocurran enconstante independientemente de las transformaciones que ocurran en l, QUE FORMAS DE ENERGAS CONTRIBUYEN A LA ENERGA TOTAL DE UN SISTEMA? Energa cintica Energa potencial Energa Interna U: Energa cintica molecular (traslacin, rotacin, vibracin) TEMPERATURA Energa potencial intermolecular (interacciones intermolecular: atraccin y repulsin). TIPOS DE POTENCIALES DE INTERACCIN. CONCEPTO DE FUERZAS DE INTERACCIN.47TEMPERATURA La temperatura mide el estado trmico de los cuerpos macroscpicos. Cuando dos o ms cuerpos presenten diferencias en sus estados trmicos (o temperaturas) PODR existir transferencia de energa bajo la forma de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Las paredes que separan estos cuerpos o partes del sistema y PERMITENel flujo de energa (pero no de masa), se dicen DIATERMAS. TODOS LOS SISTEMAS EN CONTACTO TERMICO RECPROCO, SEPARADOS POR PAREDES DIATERMAS (AL MENOS DE A PARES), SE HALLARAN EN EQUILIBRIO TRMICO CUANDO LA TEMPERATURA ES LA MISMA EN TODAS SUS PARTES. (Ley cero de la termodinmica). Las paredes que no permiten el flujo de materia ni de energa ni como calor Las paredes que no permiten el flujo de materia ni de energa ni como calor se dicen ADIABTICAS. NUNCA CONFUNDIR UN SISTEMA AISLADO CON UN SISTEMA SEPARADO DE OTRAS PARTES POR PAREDES ADIABTICAS.48Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 12CONCEPTOS BSICOSFASESEQUILIBRIOS DE FASES EQUILIBRIOS DE FASESDIAGRAMAS DE FASESREGLA DE LAS FASES CONCEPTO DE NMERO DE COMPONENTES COMPONENTES49PRESINLa presin es la fuerza que se ejerceperpendicularmente sobre la unidad de rea.El pascal (Pa) es la unidad recomendada por la el El pascal (Pa) es la unidad recomendada por la elSistema Internacional de Medidas (InternationalSystem of Measurements, SI,) y reconocida por laUnin Internacional de Qumica Pura y Aplicada(International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)).El pascal se define como la fuerza de 1 Newton El pascal se define como la fuerza de 1 Newtonaplicada sobre 1 m2de superficie. En trminos delas unidades bsicas:1 Pa = 1 N.m-2= 1kg.m-1.s-250PRESINOtras unidades de presin (no estnrecomendadas por el SI), reconocidas por el laInternational Bureau of Weights and Measures(BIPM, edicin 2006) por su uso continuo en la vida (BIPM, edicin 2006) por su uso continuo en la vidadiaria y su empleo frecuente en distintos camposNombre Smbolo Definicin Equivalencia en Paatmsfera atm 1 atm es una medida de la presin a nivel del mar. 1,01325x105bar bar 1 bar es igual a la fuerza de 106dina aplicada a 1 cm2de superficie10551aplicada a 1 cm2de superficie10TorrTorr 1 Torr = 1/760 atm = 101.325/760 Pa133,322 psi psi 14,7psi (pound per square inch) corresponde a 760,18 Torr6,894757 ESTADOS DE AGREGACIN CONCEPTO DE FASE Caractersticas generales de los estados de agregacin. Concepto de fases Ecuaciones de estadoF(p, t, V, m) = 0 F(p, t, V, m) = 0 Diagrama de fases. Tipos de diagramas. Regla de las fases Superficies de estado. Proyecciones en planos. Ventajas. Interacciones intermoleculares. Su importancia en la descripcin de las propiedades de los sistemas materiales desde el punto de vista fisicoqumico. Movimiento molecular52Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 13DIAGRAMAS DE FASES DE UN COMPONENTE53DIAGRAMA DE FASES DE UN COMPONENTEDIAGRAMA DE FASES DEL AGUA54DIAGRAMA DE FASES DEL CO2. SUPERFICIES DE ESTADO Y SUS PROYECCIONES55TIPOS DE PROYECCIONESIsotermas: La ecuacin de estado adopta la forma F(p,V) =0a t y w constantes En gases, la experiencia muestra que la presin se puede escribir como una funcin de la inversase puede escribir como una funcin de la inversa del volumen y viceversa. p 1/V a t y w constantesEn lquidos y slidos (fases condensadas en general), conviene recurrir al empleado del coeficiente de compresibilidad isotrmico= -(1/V) (V/p)t = - ( ln V/p)t56tt es una magnitud intensiva.En general, 10-4-10-6atm-1para lquidos y slidos.Para gases, 1/p, a presiones bajas y moderadas.Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 14DIAGRAMAS DE FASES DE UN COMPONENTEPresin, pslidolquidoPunto crticoH OtemperaturaVaporslidoPunto triplelquidop/atmslidolquidoPunto crtico218.3H2O570,01100 374,2 t/ CVapor0.006 DIAGRAMA DE FASESCOMPLEJIDAD DE LOS DIAGRAMAS: H2O58intervalo de temperatura -60 a 20 C y presiones entre 1 atm y 10000 atm. Puntos de triples de aguaFases en equilibrio Presin/atmt/C Propiedades de las fases slidasAgua lquida-hielo Ih-vapor de agua0,006 0,01Hielo Ih: cristales hexagonales, densidad 0,917 g/cm, presenta enlaces hidrgenos distribuidos 0,006 0,01enlaces hidrgenos distribuidos aleatoriamente.Agua lquida-hielo Ih-hielo III2,1x103- 22Hielo III: cristales tetragonales, con estructura ordenada, densidad 1,16 g.cm3a 345x103atm.Agua lquida-hielo III- hielo V 3,5x103- 17 Hielo V: cristales monoclnicosAgua lquida-hielo V- hielo VI 6,2x1030,16 Hielo VI: cristales tetragonales. Hielo Ih-hielo II-hielo III2,1x103- 35Hielo II: Cristales rombohdricos con estructura altamente 592,1x103- 35 con estructura altamente ordenada.Hielo II-hielo III-hielo V 3,4x103- 24 El hielo IV es una forma metaestable (rombohdrica). Hielo II-hielo V-hielo VI 6,2x103- 70REGLA DE LAS FASES Y SU APLICACIN SENCILLA AAPLICACIN SENCILLA A SISTEMAS EN EL LABORATORIO60Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 15REGLA DE LAS FASES FASE (P o F)Se refiere al nmero de regiones homogneas en equilibrio COMPONENTE (C)Se refiere al nmero de especies qumicas que esSe refiere al nmero de especies qumicas que es necesario enunciar para conocer LA COMPOSICIN de todas la fases en equilibrio GRADOS DE LIBERTAD (V o L)Se refiere al nmero de variables intensivas que pueden modificarse en forma independiente sin que se altere elmodificarse en forma independiente sin que se altere el nmero de fases en equilibrioV = C P + 261PUNTOS TRIPLES EN SISTEMAS DE UN COMPONENTE4 FASES-PROHIBIDOPara un sistema de un componenteNmero mximo de fases Pmx(o F)PROHIBIDOSe deben observar cuando el nmero de grados de libertad es mnimo (cero)Pmx= C + 2 si C = 1 Pmx= 3Nmero mximo de grados de libertadSe debe observar cuando P es mnimo,P = 1,P = 1, Vmx= C + 1Si C = 1 Vmx= 2X62Nmero de componentes de un sistema de fases en equilibrio El nmero de componentes C es el nmero de especies qumicas independientes que seespecies qumicas independientes que se requieren conocer para determinar la composicin de todas las fases en equilibrio N= nmero de especies totales en el sistema C = N , cuando no existen reacciones entre ellas C < N , cuando existen reacciones qumicas que las involucran.las involucran. En general C = N rr = son relaciones tales como constantes de equilibrio, relaciones de concentracin dadas por la estequiometra EN LA MISMA FASE, 63EJEMPLOS DE SISTEMAS CON C COMPONENTESCaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Existe una nica relacin de vnculo (la constante de equilibrio), luego C = 2 Hay tres fases (2 slidas y 1 gaseosa) El equilibrio entre estas fases ES El equilibrio entre estas fases ES INDEPENDIENTE de los tamaos relativos de las fases condensadas (CONCEPTO MUY IMPORTANTE)64Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 16 EL NMERO DE COMPONENTES PUEDE DEPENDER DE LA FORMA DE PREPARACIN DEL SISTEMA EJEMPLOS: SOLUCIN ACUOSA DE NaCl ESPECIES PRESENTES EN ESTE SISTEMA:H2O, H+, HO-, Na+ y Cl- (N=5) Relaciones de vnculo:Relaciones de vnculo:Kw, electroneutralidad, [H+]=[HO-]r = 3 Luego, C=5-3 = 2 SOLUCIN ACUOSA PREPARADA POR MEZCLA DE VOLMENS ES ARBITRARIOS DE SOLUCIONES DE HCl y de NaCl EN DISTINTAS CONCENTRACIONES Relaciones de vnculoKw, electroneutralidad (desaparece la relacin [H+]=[HO-]) Kw, electroneutralidad (desaparece la relacin [H+]=[HO-])r =2,Luego C = 5-2 =3Cul es el significado de 2 o de 3?Indica cuantas concentraciones se deben conocer para la descripcin de composiciones de todas las fases65APRENDIZAJE BASADO EN EXPERIMENTOS SIMPLES EN SISTEMAS DE UN COMPONENTE Y DOS COMPONENTESEQUILIBRIO LQUIDO-VAPOR EQUILIBRIO LQUIDO-VAPORCURVAS DE ANDREWSECUACIN DE CLAUSIUS-CLAPEYRONSISTEMA DE LQUIDOSSISTEMA DE LQUIDOS PARCIALMENTE MISCIBLES. CASO FENOL-AGUA66EQUILIBRIO LQUIDO EQUILIBRIO LQUIDO--VAPOR VAPOR-- ISOTERMAS DE ANDREWS ISOTERMAS DE ANDREWS Hemos visto que entre un lquido y un vapor se establece un equilibrio de fases Comparemos diagramas p-t contra diagramas p-VAnalicemos la compresin a pSLcpcVapor puro a la presin pa < pV a la temperatura t Vapor puro a la presin de vapor pV a t Equilibrio lquido-vapor a la presin de vapor pV a t Lquido puro Lquido puro a la presin pC> pV a t Analicemos la compresin a t constante de un vapor desde el estado a hasta alcanzar el estado ct/CGabpVVaLquido puro a la presin de vapor pV a t(b) LVEl diagrama de Andrews p-V no respeta escalasIsoterma (t)67ECUACIN DE CLAPEYRON ECUACIN DE CLAPEYRON La ecuacin de Clapeyron establece una relacin entre el cambio de la presin de equilibrio entre fases y la temperatura. donde Hmes el cambio de entalpa y Vmel cambio de volumen mmV THdTdp= donde Hmes el cambio de entalpa y Vmel cambio de volumen cuando un mol de de una sustancia pura en una fase experimenta un cambio de fase. Esta ecuacin es la pendiente a las curvas de equilibrio entre fases:slido-slido (ej, azufre rmbico-azufre monoclnico), slido-lquido (fusin) slido-vapor (sublimacin) lquido-vapor (vaporizacin)pSLV THdTdpmfmf= ESTA ECUACIN ES EXACTAt/CSGpVacin subV THdTdpSSlim=n vaporizaciV THdTdpmVmV=fusin68Notas de clases del Dr. A.L. Capparelli Introduccin. Gas ideal. Teora Cintica de los gases. 17EQUILIBRIO LQUIDO EQUILIBRIO LQUIDO--VAPORVAPOR -- ECUACIN DE CLAUSIUS ECUACIN DE CLAUSIUS--CLAPEYRON CLAPEYRON La ecuacin de Clausius-Clapeyron es una buena aproximacin para describir equilibrio entre fases condensadas (lquido o slido) y su vapor. Para el equilibrio entre un lquido y un vapor a temperaturas inferiores a la crtica. En estas condiciones VmV>>VmL, y se puede simplificar an ms considerando que el comportamiento del vapor que el comportamiento del vapor IntegracinSupondremos que HmVno es funcin de Tpcrtica t tV THdTdpmVmV