FISICOQUIMICA

Curso 2005 Clase 1. Agosto 17

Prof. Dr. Alberto Boveris

Introducción al Curso. La fisicoquímica.

La termodinámica.

Kemeía: la diosa de la transmutación (cambio).

La función de los profesoresrespecto de los alumnos es:

1. Dar Información

2. Proveer Aspectos de Educación General

3. Contestar preguntas sobre la materia, la ciencia, y las carreras profesionales

La función de los Encargados de Comisiones respecto de los alumnos es:

1. Proveer información (seminarios).

2. Indicar (educar) sobre la importancia de los temas.

3. Dar indicaciones decisivas sobre temas de regularidad, promoción y aprobación de la materia.

Hay un papel esencial a desempeñar por los estudiantes:

1. Intercambiar información

2. Compartir indicacionesy experiencia en la regularidad,promoción y aprobación de la materia

3. Controlar su propio proceso de enseñanza-aprendizaje:(a) Comparación con los compañeros(b) Preguntas opcionales de la Guía(c) Preguntas de examen en “Temas de FQ”

Material de Estudio1. Libros de TextoFISICOQUIMICA. David Ball. Thomson (Mexico), 2004.QUIMICA FISICA. Peter Atkins. Omega (Barcelona), 1999.

2. Temas de Fisicoquímica. Cátedra de Fisicoquímica, CEFYB, 2005.Temas de aplicación de la fisicoquímica a las carreras de Farmacia y Bioquímica.

3. Guía de Trabajos Prácticos. Cátedra de Fisicoquímica. CEFYB, 2004., 2004.

Fisicoquímica

La fisicoquímica es la parte de la química que describe los procesos químicos con el modo cuantitativo (ecuacional) de la física.

El propósito de la fisicoquímica es comprender, predecir y controlar los

procesos químicos para su utilización.

Curso de Fisicoquímica Facultad de Farmacia y Bioquímica

El curso de Fisicoquímica consta de dos partes principales:

Termodinámica y Cinética Química. En las dos partes hay un enfoque general del

tema y una aplicación de los conceptos a los sistemas biológicos y a las aplicaciones

farmacéuticas y bioquímicas.

¿Por qué un curso de fisicoquímica en las carreras de farmacia y bioquímica?

Contribuye en forma importante al conocimiento químico experimental y al reconocimiento de la química como una ciencia exacta (dura).

Los fenómenos descriptos en los modos de la fisicoquímica: (a) termodinámicamente y (b) cinéticamente, constituyen un conocimiento científico aplicable a las ciencias farmacéuticas y bioquímicas. Las áreas de aplicación son: formas farmacéuticas (coloides, micelas y liposomas), cinética de absorción y estabilidad de medicamentos, fisiología celular, acción de drogas, etc.

Conocimiento, duda y error

El conocimiento es concebido como la unión de la racionalidad con la experiencia sensorial (Kant)

En las ciencias post-Newtonianas (la química actual), el conocimiento es la unión de la teoría con la experimentación

La teoría expresada matemática y ecuacionalmente está libre de error cuantitativo

La experimentación y la observación tienen inherentemente una incertidumbre cuantitativa

Magnitud relativa de la incertidumbre, duda o error observacional o experimental

Matemática: (ecuaciones) Física: (a) constantes (b) determinaciones Fisicoquímica: (a) constantes (b) determinaciones Química (en general) Farmacia Fisiología Farmacología Valores clínicos: (a) referencia

(b) grupales (c) variación individual

010-8 - 10-5

10-5 - 10-3

10-5 - 10-4

10-3 - 10-2

10-2 ; 1-5 %2 - 5 %5 - 10 %10 %10-30 % 20-40 %30-100 %

Termodinámica

El capítulo inicial de la Fisicoquímica es la Termodinámica que trata de los intercambios

de energía y de la espontaneidad de los procesos (físicos, químicos y biológicos).

La Primera Ley de la Termodinámica es la “Ley de la Conservación de la Energía” y la

Segunda Ley de la Termodinámica, referida a la espontaneidad de los procesos, es la “Ley de la

Creación de la Entropía”.

Sistema (S): Porción del universo en estudioMedio (M): La parte del universo que rodea al sistemaLímite (L): Superficie o línea imaginaria que define la extensión del sistema.

La Termodinámica defineUniverso = Sistema + Medio*

SM

L

* : también ambiente, alrededores o entorno.

El equivalente mecánico del calor

1. En el sistema SI, la unidad de trabajo es el Joule

1 J = 1 N m = 1 kg m2 seg-2

1 Newton = 1 kg 1 m seg-2

2. La caloría (unidad de calor) es:

1 cal = 1 °C / 1 g de agua (de 15 °C a 16 °C)

3. ¿Cómo llegamos a esto que sigue?

1 cal = 4.184 J

Benjamín Thompson, Conde Rumford1753-1814

Medidas hechas en 1793

1034 pies libra = 1 BTU107 kg.m 9.81 = 1396 kg m2 seg-2

1 BTU = 0.55 °F/°C 0.453 = 251 cal

1 cal = 5.56 J

Julius von Mayer (1814-1878) publicó "Remarks on the Forces of Inorganic Nature" en Annalen der Chemie und Pharmacie, 43, 233 (1842) con la equivalencia 1 cal = 4.22 J (en sus unidades). Mayer desarrolló la idea de la interconversión de trabajo y energía en un viaje a las Indias Orientales Holandesas (hoy Indonesia) como médico a bordo, al observar que la sangre de los marineros era “mas roja” en Indonesia que en Holanda. Su interpretación fue que se consumía menos oxígeno y se utilizaba menos “energía” para mantener la temperatura corporal en el clima mas cálido. Consideró que calor y trabajo eran formas de la energía, y después de aprender un poco de física, calculó una relación entre ellos, basada en la diferencia entre Cp y Cv del aire.

Cp – Cv (aire) = 8.88 10-2 cal/°C litro de aire Trabajo (P V) = 1 atm x 1/273 litro/°C = 3.66 10-3 1itro-atm

1 cal = 4.22 J

James Prescott Joule(1818-1889), desarrolló sus experimentos en 1834-1844

890 libras 1 pie ( 32.2 p/s2) = = 1 °F/ 1 libra de agua

1202 kg m2 seg-2 = 1 BTU = 251 cal

1 cal = 4.78 J

1 cal = 4.184 J

James P. Joule (ca. 1870)

La relación (1 cal = 4.184 J) es la definición y la unidad de energía actual, basada en las medidas de trabajo (en J) y de calor (en calorías). La tendencia moderna es usar solamente Joules.

La relación implica la interconvertibilidad del movimiento molecular (calor) y del movimiento macroscópico (trabajo).

Energías involucradas en procesos químicos y biológicos:

1 kg subido a una altura de 1 m (9.81 m/seg-2) = 9.81 J1 fósforo quemándose (trabajo práctico) 1 kJ1 latido cardíaco 1 J1 g de sacarosa (calorímetro o cuerpo humano) = 17.14 kJ1 barra de chocolate (10 g de azúcar y 10 g de grasa) = 540 kJ

La unicidad del concepto de energía puede ser reconocida considerando el momento (masa velocidad2)

Energía cinética macroscópica = ½ m.v2 (kg.m2.seg-2)Energía potencial (gravitacional) = m.g.h (kg.seg-2.m) Energía translacional molecular = xyz(½ m.v2) (kg.m2.seg-2)Conversión de materia y energía = mc2 (kg.m2.seg-2)

En el trabajo de expansión hay un movimiento ordenado del pistón, lo que implica una

utilización del movimiento molecular caótico

En un gas: (1) los choques elásticos contra las paredes del recipiente no implican pérdida de energía cinética; y (2) los choques contra el pistón se descomponen en dos vectores, un vector de movimiento lateral, y otro vector, de movimiento paralelo al eje del pistón. Los segundos, sumados, le confieren movimiento al pistón y constituyen el trabajo.

1 2

Distinción molecular entre calor y trabajo como energía transferida del sistema al medio

Calor: movimiento caótico a caótico

Paredes fijasParedes fijas Pistón móvilPistón móvil

Trabajo: movimiento caótico a ordenado

Sistema (gas)

Pared ó pistón(metal)

LEY DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

U = q + w forma diferencial

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma y se conserva (1840)

U = Q + W forma integrada

LEY DE LA CONSERVACION DE LA MASA

LEY FUNDAMENTAL DE LA QUIMICA

La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma y se conserva (1780)

La interconversión comprobada de la masa y la energía (E = mc2) llevaron a la Ley de Conservación de la Masa-Energía:

“La masa y la energía ni se crean ni se destruyen, se transforman y se conservan”.

Estrategias didácticas para incorporarla idea de la Primera Ley

• Cálculos con el gas ideal en el cilindro de pistón móvil. U = Q + W.

Valores: 0.1- 5 kJ/mol. (Sem 1).

• Establecer que el calor de reacción (H) es independiente de los pasos (Ley de Hess): dilución del H2SO4: 40-50 kJ/mol (TP 1).

Primera Ley de la Termodinámica

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma y se conserva

Fenómeno molecular subyacente

Los choques elásticos de las moléculas

Corolario de la Primera Ley

Hagas lo que hagas no podrás ganar