FISICOQUIMICA Introducción a la Materia 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 Química (en general) Farmacia Fisiología Farmacología Valores clínicos: (a) referencia (b) grupales (c) variación individual 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* 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. M S * : 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

Cp – Cv (aire) = 8.88  10-2 cal/°C  litro de aire 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

890 libras  1 pie ( 32.2 p/s2) = = 1 °F/ 1 libra de agua 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 solamente Joules. La relación implica la interconvertibilidad del movimiento molecular (calor) y del movimiento macroscópico (trabajo). James P. Joule (ca. 1870)

Energías involucradas en procesos químicos y biológicos: 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 caótico a caótico Trabajo: movimiento caótico a ordenado Pared ó pistón (metal) Sistema (gas) Paredes fijas Pistón móvil

dU = dq + dw forma diferencial 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

La masa no se crea ni se destruye, 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. 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