Conteúdo de Fisicoquímica para Engenharia Química

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Página 66 de 203 Anexo I – Res.: 1195/11 
 
 
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL 
FACULTAD REGIONAL CORDOBA 
ASIGNATURA: FISICOQUIMICA 
ESPECIALIDAD: INGENIERIA QUIMICA 
PLAN: 1995 ADECUADO - ORD. Nº 1028 
NIVEL: 3º 
MODALIDAD: CUATRIMESTRAL 
AREA: QUÍMICA 
BLOQUE: TECNOLOGÍAS BÁSICAS 
DICTADO: 2º CUATRIMESTRE 
HORAS: 8 HS SEMANALES 
CARGA HORARIA TOTAL: 128 HS 
CICLO LECTIVO: 2011 EN ADELANTE 
 
 
Correlativas para cursar: Regulares: Análisis Matemático II, Química Inorgánica, Física II y 
 Termodinámica. 
 Aprobadas: Álgebra y Geometría Analítica, Análisis Matemático I, 
 Química General y Física I 
Correlativas para rendir: Aprobadas: Análisis Matemático II, Química Inorgánica, Física II y 
 Termodinámica. 
 Regular: Fisicoquímica 
 
 
 
OBJETIVOS GENERALES DE LA ASIGNATURA:
Comprender y aplicar la termodinámica de multicomponentes, la termodinámica 
química y los fenómenos fisicoquímicos. Proyectarlos hacia su aplicación industrial 
 
CONTENIDOS:
Unidad 1: Revisión de conceptos de energía libre entropía. Fuerzas
intermoleculares
La ecuación fundamental de la termodinámica. Significado físico de la entropía. La 
energía libre como criterio de espontaneidad y equilibrio. 
Fuerzas intermoleculares. La función potencial. Modelo de la esfera rígida. La 
ecuación de Van der Waals. Potencial de Lennard – Jones. Segundo coeficiente virial 
a partir de funciones potenciales. 
 
 
 
 
 
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FACULTAD REGIONAL CORDOBA 
Unidad 2: Termodinámica de soluciones.
Sistemas abiertos. Propiedades molares parciales. Relaciones entre las propiedades 
molares parciales y las integrales para sistemas binarios y multicomponentes. 
Ecuación de Gibbs – Duhem. Propiedades en exceso. El potencial químico y el 
equilibrio de fases. La regla de las fases. Fugacidad de mezclas gaseosas y líquidas. 
Evaluación de fugacidades de gases y líquidos a partir de ecuaciones de estado. 
Modelos de reglas de mezcla de van der Waals y de gex. Ecuaciones de estado de 
Soave – Redlich – Kwong (SRK), Peng – Robinson (PR). Definición de actividad y de 
coeficiente de actividad de fases condensadas. Estados de referencia. Métodos de 
determinación de actividades. Consistencia termodinámica. Modelos de coeficiente 
de actividad: regular, Margules, Van Laar, Wilson, NRTL, UNIQUAC, etc. 
Estimaciones de coeficientes de actividad con el modelo UNIFAC. 
Unidad 3: Equilibrios de fases en sistemas multicomponentes.
Equilibrios líquido – vapor para mezclas multicomponentes. Determinación de los 
puntos burbuja y rocío para mezclas multicomponentes por los métodos de modelo 
– y - . Equilibrios líquido – líquido, líquido – líquido – vapor, sólido – líquido, sólido 
vapor para mezclas multicomponentes con evaluación de coeficientes de actividad.
Unidad 4: Equilibrios de fases en sistemas binarios.
Diagramas de fase binarios: azeotropos, eutécticos, peritecticos, etc. Compuestos 
congruentes e incongruentes. La regla de la palanca. Curvas de energía libre en 
función de la composición. Determinación y construcción de diagramas de fase. 
Propiedades coligativas. 
 
Unidad 5: Equilibrios de fases en sistemas ternarios.
Representación gráfica. Aplicaciones de la regla de la palanca. Líquidos y sólidos 
parcialmente miscibles. Sistemas isomorfos. Eutécticos ternarios simples. Diagramas 
isotérmicos. Diagramas de hidratos. Equilibrio líquido – vapor. 
Unidad 6: Equilibrio químico.
Conceptos de afinidad y grado de reacción. Isoterma de reacción. Constante de 
equilibrio. Energía libre tipo de reacción. Efectos de la presión y de la temperatura. 
Expresiones de la constante de equilibrio para reacciones homogéneas y 
heterogéneas. Equilibrios simultáneos. Equilibrio químico y de fases simultáneo para 
sistemas multicomponentes. 
Unidad 7: Cinética química.
Velocidad de reacción. Efecto de la temperatura. Energías de activación. Teoría de 
las colisiones. Teoría del complejo activado. Orden y molecularidad. 
 
Unidad 8: Soluciones iónicas. Conducción en electrolitos.
Actividad iónica. Estado de referencia. Teoría de Debye – Hückel. Equilibrio en 
soluciones iónicas: ácidos, bases y sales, fuertes y débiles. Conceptos de conducción 
en electrolitos. Conductividad equivalente. Números de transporte. 
 
 
 
 
 
 
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Unidad 9: Electroquímica.
Pilas. Ecuación de Nerst. Electrodos reversibles. Celdas de concentración. 
Determinación de propiedades termodinámicas a partir de medidas de f.e.m. 
Electrólisis. Leyes de Faraday. Mecanismos de polarización de electrodos. Ecuación 
de Tafel. Cálculo de potenciales de electrólisis. Fundamentos de aplicación en 
procesos industriales. 
Unidad 10: Fenómenos superficiales.
Tensión superficial. Potenciales químicos de interfases. Isoterma de adsorción de 
Gibbs. Exceso superficial. Efectos de curvatura. Ángulos de contacto. 
BIBLIOGRAFÍA:
- Smith, Ness, Termodinámica para ingeniería química.. Ed. McGraw-Hill. (1997) 
- Lupis, C., Chemical thermodinamics of materials. Ed. Prentice Hall. (1993) 
-Gaskell, D., Introduction to metallurgical thermodynamics.. Ed. McGraw-Hill (1973) 
-Prentice, G., Electrochemical engineering principles.. Ed. McGraw-Hill. (1991) 
-Walas, S., Phase equilibria in chemical engineering.. Ed. Butterworth. (1985) 
-Reisman, A., Phase equilibria. Ed. Academic Press (1970) 
-Coudourier, L., Fundamentals of metalurgical processes. Ed. Pergamon P. (1978) 
- Darken, L.; Gurry, L.; Physicalchemistry of metals. Ed. McGraw-Hill. (1953) 
-Rao, Y.K.; Stoichometry and thermodynamics of metalurgical processes. Ed. 
Cambridge Univ. Press. (1985). 
-Rhines, F.; Phase diagrams in metallurgy. Ed. McGraw-Hill (1956). 
-Bergeron, C.; Risbud, S., Introduction to phase equilibria in ceramics.; Ed. The 
American Ceramic Society. (1984). 
-Prausnitz, J.; Lichtenthaler, R.; Gomes de Azevedo Termodinámica molecular de los 
equilibrios de fases., E. Edit. Prentice Hall (2000) 
 
DESARROLLO DE LA ASIGNATURA:
Metodología de enseñanza:
Para el dictado de la materia se combinará la exposición dialogada y participada de 
los conceptos teóricos con realización de trabajos prácticos, en una proporción 
aproximada de 50% para cada uno. Al ser de dictado cuatrimestral, la materia tiene 
ocho horas de clase por semana, dividida en dos días, uno de tres horas y el otro de 
cinco horas. Alternativamente, algunas semanas se darán clases teóricas durante las 
tres horas, y en otras semanas durante las cinco horas. 
Los trabajos prácticos adoptarán la modalidad fundamentalmente de consulta de los 
problemas, y no de desarrollo de los mismos, ya que se considera que el ejercicio no 
pensado por el alumno previamente a su explicación, impide su internalización, 
comprensión y asimilación. 
Los desarrollos teóricos, para que constituyan un aprendizaje significativo, deben 
estar sustentados y asentados en conocimientos previos. Para el logro de este 
objetivo, se planteará un núcleo básico de partida, basado en la ecuación 
fundamental de la termodinámica que reúne la 1ra y la 2da Ley para sistemas 
abiertos. A partir de ella se utilizará la energía libre como criterio de espontaneidad y 
 
 
 
 
 
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equilibrio de sistemas, que constituirá el hilo conductor a lo largo del desarrollo de la 
materia. Así, se utilizará a la energía libre para el equilibrio de fases, el equilibrio 
químico, el equilibrio electroquímico y la cuantificación de los fenómenos 
superficiales. En los desarrollosmatemáticos correspondientes se recurrirá 
constantemente al lenguaje y la ejemplificación de la materia de Análisis Matemático 
II, fundamentalmente por los conceptos de derivación de funciones compuestas de 
varias variables, integrales curvilíneas, máximo y mínimo de funciones de varias 
variables, etc. 
Los elementos didácticos a utilizar serán fundamentalmente tiza y pizarrón. En 
algunos temas, como en diagramas de fase ternarios, se utilizarán filminas. Se 
considera que el empleo de la tiza y el pizarrón le otorga al alumno el tiempo 
necesario de comprensión y maduración de los conceptos teóricos vertidos en el 
aula. 
Importancia de la materia en la formación del Ing. Químico
Esta materia constituye la última materia básica de la especialidad. Establece una 
visión de la Química acerca de los fenómenos Físicos, o una interpretación Física de 
los fenómenos Químicos, y esta multiplicidad de puntos de vista condensa muchos 
conocimientos y aptitudes adquiridas hasta el momento en la carrera. Esta dualidad 
está presente en la misma carrera de Ingeniería Química, que se considera primero 
como Ingeniería, y luego como de Química. Así tienen una gran importancia los 
fenómenos físicos, que dan lugar a la comprensión de las Operaciones Unitarias 
(fenómenos de transferencia de cantidad de movimiento, energía y masa). Los 
fenómenos químicos se aplican fundamentalmente en la Ingeniería de las 
Reacciones Químicas, el diseño de reactores. 
La utilidad inmediata y eficientista de Fisicoquímica se encuentra en su aplicación en 
las materias de la especialidad. La materia de Operaciones Unitarias II demanda 
conocimientos acerca de las condiciones y cálculo de equilibrio de fases L – V o L – 
L, como punto de partida para el diseño de columnas de absorción, destilación o 
extracción líquido – líquido. La materia de Tecnología de la Energía Térmica necesita 
determinar las propiedades termodinámicas de soluciones, tal como la entalpía o la 
entropía, para poder analizar los flujos de energía. Las materias de Biotecnología e 
Ingeniería de las Reacciones Químicas utilizan el equilibrio químico y la 
fundamentación de las teorías de la Cinética Química, así como la aplicación de los 
fenómenos superficiales. 
Aparte de estas aplicaciones, en el resto de la carrera de Ingeniería Química no se 
estudia en forma estructurada usos industriales de electroquímica, constituyendo por 
consiguiente, la única materia en la que ven estos aspectos. 
Aunque se considera generalmente que la Ingeniería Química utiliza fases fluidas 
(líquido – gas), los conocimientos aportados por esta materia son utilizados por los 
graduados en empresas siderúrgicas, fundamentalmente por su conocimiento y 
modelado de diagramas de fases de sólidos. 
Orientación de la materia:
La extensión de la materia de Fisicoquímica es enorme. Su abundante bibliografía, en 
la cual coexisten los tratados clásicos de comienzos de siglo, sumamente claros, con 
los libros de los últimos avances de modelos matemáticos y computacionales 
confirman esta afirmación. 
Existen dos orientaciones generales, que pueden ser fácilmente observados en la 
bibliografía. Una de estas orientaciones, considera sumamente importante analizar la 
 
 
 
 
 
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Fisicoquímica donde los Físicos y los Químicos tienen puntos en común: a nivel 
atómico, la física cuántica, orbitales moleculares. Desde la ecuación de Schöwdinger, 
es posible explicar y predecir todas las propiedades de una sustancia, a un elevado 
costo computacional. Así, asume una gran importancia la aplicación de los 
desarrollos matemáticos. Como ejemplo, en el caso de soluciones, interesará la 
interacción entre moléculas. Para electroquímica, se analizará los mecanismos de 
oxidación – reducción dentro de la estructura cristalina. En Córdoba, esta orientación 
está sustentada fundamentalmente por la Licenciatura en Fisicoquímica de la 
Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba. La 
bibliografía de esta orientación se basa en Fisicoquímica de Atkins, Barrow, 
Castellan, Glastone, etc. 
Otra orientación, que podríamos caracterizar como ingenieril, ha sido desarrollada 
fundamentalmente por la Termodinámica Molecular, la Ingeniería Química y la 
Metalurgia. En ésta, se da prioridad a la aplicación de los fundamentos teóricos 
mecano – cuánticos, principalmente en la estimación e interpretación de diagramas 
de fase. Se trata de realizar la estimación de la forma más cercana posible a la 
realidad, incorporando la menor cantidad de suposiciones simplificadoras, con 
ecuaciones fundamentadas pero ajustadas a valores reales. De la misma forma, los 
equilibrios químicos se plantean desde el punto de vista de la predicción de las 
composiciones de equilibrio y la máxima conversión termodinámica posible, mediante 
el uso de modelos de ecuaciones de estado o modelos de actividades. La 
electroquímica se orienta hacia la interpretación y predicción de los fenómenos de 
electrodo, con incorporación de la cinética de electrodos y cálculo de 
sobrepotenciales. La bibliografía de esta orientación está fundamentalmente en 
ingles: Prausnitz, Smith-Van Ness, Walas, Lupis, Gokcen, Gaskell, etc. 
Esta última orientación ingenieril, es la que se propone primordialmente para esta 
materia. Es por ello que en el desarrollo de la materia adquiere gran importancia la 
parte práctica, con aplicaciones concretas a sistemas y situaciones lo más cercanas a 
la realidad posible, sin descuidar el fundamento teórico que lo sustenta. Para acelerar 
el acercamiento a la realidad, en los trabajos prácticos se hará un uso intensivo de 
utilitarios matemáticos como el MathCad. 
Trabajos Prácticos:
Durante el desarrollo de las clases de trabajos prácticos se promoverá el trabajo en 
forma grupal, pues aún partiendo de la premisa que el aprendizaje se construye 
individualmente el trabajo en grupo potencia ese aprendizaje individual y el alumno 
debe comprometerse con ese proceso. 
El trabajo grupal permite un mayor acercamiento entre alumnos -alumnos y entre 
docente- alumnos. Durante el desarrollo de las clases prácticas debe fomentarse la 
participación, la discusión, el intercambio fluido de opiniones, abordar diferentes 
visiones y escuchar diferentes aportes. De la riqueza de lo anterior va a depender en 
gran medida que el trabajo en grupo potencie o no el aprendizaje individual .En el 
trabajo grupal son los alumnos los que desempeñan un rol sumamente activo, 
comprometidos con su propio aprendizaje y el docente asume un rol menos activo 
pero sin dejar de facilitar el vínculo entre el alumno y el conocimiento. En nuestro 
caso asumimos dos roles: el de coordinador y observador. A través del desempeño 
más activo por parte del alumno se pretende fomentar una mayor autonomía en su 
 
 
 
 
 
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producción. La actividad combina la utilización intensiva de herramientas 
computacionales con elaboraciones gráficas manuales de sistemas simplificados. 
Condiciones de regularización promoción
La condición de alumno regular se alcanza con la aprobación de dos parciales, con 
nota no menor a 4 (cuatro) en cada uno. Los parciales consistirán principalmente en 
la resolución de problemas y la respuesta a algunas preguntas de carácter 
conceptual, realizado de forma individual en computadora.. Sólo puede recuperarse 
un parcial y la recuperación se realiza al final del cuatrimestre. 
Si en ambos parciales se obtiene un promedio de notas de 7 (siete), pero no menos 
de 6 (seis) en cada uno de ellos, el examen final será teórico, no debiendo rendir 
previamente la parte práctica. 
 
Condiciones de examen
No se prevé la promoción de la parteteórica, por lo que en todos los casos la materia 
se aprobará mediante un examen final. Se considera necesario el examen porque es 
la oportunidad en que el alumno puede relacionar, correlacionar y madurar los 
conocimientos adquiridos. 
Durante el examen final, se evaluará en base a los siguientes criterios: 
-Claridad de conceptos 
-Capacidad de transferencia de los conocimientos construidos 
-Capacidad de ejemplificación de los contenidos teóricos 
-Innovación e impacto de la presentación del tema. 
La modalidad del examen teórico es mediante exposición en pizarrón. Es decir, al 
comienzo del examen, se indican tres temas, de los cuales el alumno elige uno, y el 
docente asigna otro, que el alumno expondrá en forma oral. Durante esta exposición, 
se efectuarán preguntas a los fines de analizar la profundidad de los conocimientos 
construidos. Para aprobar, analizando la claridad de los conceptos, se deberá 
presentar más del 90% de un tema, y por lo menos el 60% del otro tema. Dada esta 
base, la nota se basará en los otros criterios de evaluación. 
 
Distribución de actividades
El curso tiene una duración de 128 hs, a las que se les agrega un tiempo estimado 
de 5 horas semanales destinadas a clases de consulta y resolución de ejercicios no 
resueltos en horarios de clase. Estas clases de consulta se realizan en horarios a 
convenir con los alumnos. 
Horas cátedra destinadas a clases teóricas: 48 hs. 
Horas cátedra destinadas a ejercicios y problemas: 80 hs. 
Horas destinadas a clases de consulta: 32 hs. 
 
Distribución horaria
Unidad 
Clase 
teórica 
(horas) 
Clase Práctica 
(horas) 
 
 
 
 
 
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1. Revisión de conceptos de energía libre y 
entropía. Fuerzas intermoleculares 
3 5 
2. Termodinámica de soluciones. 9 15 
3. Equilibrios de fases en sistemas 
multicomponentes. 
3 5 
4. Equilibrios de fases en sistemas binarios. 3 5 
5. Equilibrios de fases en sistemas ternarios. 3 5 
6. Equilibrio químico 8 15 
7. Cinética química 1 0 
8. Soluciones iónicas. Conducción en electrolitos 6 10 
9. Electroquímica 6 10 
10. Fenómenos superficiales 3 5