Download “FISICOQUIMICA” y la “TERMODINAMICA”.

FISICOQUIMICA
Por : Univ. Miguel Angel
Gutierrez
Introducción a la
Materia
de “FISICOQUIMICA”
y la
“TERMODINAMICA”.
Kemeía: la diosa de la transmutación (cambio).
Material de Estudio
1. Libros de Texto
FISICOQUIMICA. 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.
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
0
10-8 - 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”.
La Termodinámica define
Universo = Sistema + Medio*
L
M
S
Sistema (S): Porción del
universo en estudio
Medio (M): La parte del
universo que rodea al sistema
Límite (L): Superficie o línea
imaginaria que define la
extensión del sistema.
* : 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 Rumford
1753-1814
Medidas hechas en
1793
1034 pies  libra = 1 BTU
107 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  DV) = 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
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 James P. Joule
(ca. 1870)
solamente Joules.
La relación implica la interconvertibilidad
del movimiento molecular (calor) y del
movimiento macroscópico (trabajo).
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)
Energías involucradas en procesos químicos y biológicos:
1 kg subido a una altura de 1 m (9.81 m/seg-2) = 9.81 J
1 fósforo quemándose (trabajo práctico)  1 kJ
1 latido cardíaco  1 J
1 g de sacarosa (calorímetro o cuerpo humano) = 17.14 kJ
1 barra de chocolate (10 g de azúcar y 10 g de grasa) =  540 kJ
En el trabajo de expansión hay un movimiento
ordenado del pistón, lo que implica una
utilización del movimiento molecular caótico
1
2
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.
Distinción molecular entre calor y trabajo como
energía transferida del sistema al medio
Calor: movimiento
Trabajo: movimiento
caótico a caótico
caótico a ordenado
Pared
ó
pistón
(metal)
Sistema
(gas)
Paredes fijas
Pistón móvil
LEY DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA
La energía no se crea ni se destruye,
solo se transforma y se conserva (1840)
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
dU = dq + dw
forma diferencial
DU = Q + W
forma integrada
LEY DE LA CONSERVACION DE LA MASA
La masa no se crea ni se destruye,
solo se transforma y se conserva (1780)
LEY FUNDAMENTAL DE LA QUIMICA
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 incorporar
la idea de la Primera Ley
• Cálculos con el gas ideal en el cilindro de
pistón móvil. DU = Q + W.
Valores: 0.1- 5 kJ/mol. (Sem 1).
• Establecer que el calor de reacción (DH) 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