Fisicoquímica Básica

ALBERTO CAPPARELLI,

Editorial de la Universidad Nacional de La Plata

Lugar: La Plata; Año: 2013 p. 1290

978-950-34-0972-5

  PREFACIO El presente texto cubre los aspectos fundamentales de un curso básico de Fisicoquímica General para estudiantes de Ciencias Exactas (Química, Bioquímica, Biotecnología y Farmacia), Ingeniería Química y ciencias afines. Si bien existen textos de carácter general, el que se propone aquí está basado en más de 30 años de actividad docente desarrollada por el autor en el ámbito de la la UNLP en este campo de la química. El libro, como tal, cubre aspectos básicos y aplicados de la fisicoquímica general, tratando de orientar al estudiante en aquellos temas que presentan mayores dificultades en la comprensión de los conceptos que se enseñan como parte de un curso básico e introductorio de fisicoquímica. En este aspecto, este libro no cubre los capítulos de estructura molecular, espectroscopía, termodinámica estadística y fisicoquímica de superficies. Por lo tanto, el texto se sustenta sobre tres aspectos centrales: la descripción macroscópica de los fenómenos, el establecimiento de correlaciones entre los fenómenos observados así como la formulación de hipótesis, modelos y teorías para explicar los hechos experimentales. Se busca mostrar las limitaciones implícitas en los modelos, con el fin de establecer una dinámica entre lo que se observa y lo que se pretende describir en términos de los mismos. En el desarrollo de los temas, la ejercitación y la resolución de problemas está incluida explícitamente en el texto, enfatizando los aspectos en los cuales el estudiante presenta sistemáticamente mayores dificultades de comprensión de las ideas centrales. Aquellos temas que se fundamentan en herramientas más elaboradas, se presentan en forma de Anexos para no entorpecer el desarrollo de los aspectos más básicos. A diferencia de los textos recomendados en cursos tradicionales de Fisicoquímica, el que aquí se propone es más detallado que aquéllos. En efecto, en el presente libro se incluyen las deducciones completas y se explican conceptos que se mencionan en la mayoría de los textos tradicionales sin discusión detallada. En el desarrollo de los capítulos en que se agrupan los temas, bajo la forma de ejercicios, ejemplos y problemas, se ilustran las ideas que se describen previamente. El número de ejercitaciones y problemas resueltos incluyen gráficos y figuras con las explicaciones correspondientes. Los distintos temas que se tratan en el texto se sustentan en los conceptos introductorios de Química, de Física General, Matemática y Estadística básica. La fisicoquímica como disciplina tiene una dinámica de crecimiento y está presente en otros campos de las ciencias, como la biología, bioquímica, las ingenierías, las biomedicinas para mencionar algunas de ellas. En el texto se ha tratado de introducir algunas notas históricas para que el estudiante ubique en el tiempo las contribuciones de los científicos más representativos en el desarrollo del conocimiento de la fisicoquímica. Se ha buscado mantener un sistema combinado de unidades recomendadas por el sistema internacional y el empleado en forma cotidiana en el lenguaje técnico. El texto se plantea en capítulos que cubren los siguientes aspectos: En los capítulos 1 a 4 se abarcan las nociones básicas sobre equilibrio, en particular los equilibrios de fase. En el capítulo 1, se desarrollan los aspectos macroscópicos asociados con distintos tópicos para integrar e interrelacionar las nociones básicas aprendidas en cursos de Química General y Física con los objetivos de la fisicoquímica. En el capítulo 2, se analizan las propiedades de los sistemas gaseosos a bajas presiones, y se introduce al estudiante en la metodología que conduce al modelo de gas ideal a partir del análisis del comportamiento experimental. En el capítulo 3, se desarrollan los aspectos básicos de la teoría cinética de los gases y la ley de distribución de velocidades de Maxwell, la ley de distribución de energía de Maxwell-Boltzmann, el principio de equipartición y las consecuencias de sus limitaciones. En el capítulo 4 se tratan los aspectos fenomenológicos de los gases reales como función de la presión, volumen y temperatura. Se describen los tipos de representaciones gráficas en dos dimensiones del comportamiento experimental, así como las leyes empíricas para sistematizar su estudio y las representaciones matemáticas que se emplean para describir en términos de los desarrollos del virial. Finalmente a través del modelo de gas de van der Waals, se analizan las ventajas y limitaciones propias en la formulación de hipótesis para describir los comportamientos experimentales.   La termodinámica es una de las centrales en el campo de la física, de la química, de las ciencias biológicas y de la ingeniería. El estudio termodinámico de los sistemas materiales es uno de los aspectos fundamentales para el tratamiento de los sistemas materiales en el campo de la fisicoquímica. Los primeros dos principios de la termodinámica se desarrollan en los capítulos 5 a 9. En los capítulos 5 y 6 se introduce al estudiante en el primer principio y sus aplicaciones a procesos físicos y químicos, en particular los aspectos relacionados con termoquímica. En los capítulos 7 y 8 se discute el segundo principio de la termodinámica, se introduce la función entropía y sus aplicaciones, y las funciones energías libres de Gibbs y de Helmholtz. En el capítulo 9 se discutirá el tratamiento de la energía libre en sistemas reales y las condiciones generales del equilibrio termodinámica.   Con los fundamentos previos, en el capítulo 10 se encarará el tema de sistemas de multicomponentes introduciendo la composición como una variable. Se definen las propiedades molares parciales y en particular volúmenes molares parciales y el potencial químico. En el capítulo 11 se tratarán mezclas ideales de gases, la ley de Raoult asociada con las propiedades coligativas y se define solución ideal. Se reserva para el capítulo 12 el tratamiento termodinámico de las soluciones ideales y reales, así como la introducción del concepto de actividad y de factor de actividad en soluciones de no electrolitos y su medida a partir de la información termodinámica. En este capítulo, se discute el modelo de van Laar para soluciones reales.   En el capítulo 13 se trata el tema del equilibrio químico homogéneo y heterogéneo. Se introduce la constante de equilibrio termodinámica y se analizan los factores que la afectan. Si bien el tercer principio de la termodinámica puede tratarse en forma separada, se lo incluye como un punto asociado a de este capítulo.   La termodinámica de las soluciones de electrolitos se discute en el capítulo 14 y se desarrolla la teoría de Debye-Hückel. Electrodos y pilas, como parte de la electroquímica del equilibrio, se tratan en el capítulo 15.   La dinámica de las colisiones moleculares y los conceptos de camino libre medio, frecuencia de colisión, número de colisiones por unidad de volumen y de tiempo, colisiones con restricción en la energía se reservan para el capítulo 16. En el capítulo 17 se encaran los fenómenos de transporte en gases, líquidos y soluciones de macromoléculas donde se presentan los aspectos básicos, tratados desde el punto de vista fenomenológico y microscópico. En la sección destinada a los fenómenos de transporte en gases se analiza el concepto del equilibrio local aplicable a su descripción para luego discutir los modelos basados en la teoría cinética de la viscosidad, conductividad térmica y difusión. Para la discusión de los fenómenos de transporte en fase líquida (viscosidad y difusión) se considera el movimiento browniano y se deduce la ecuación de Stokes-Einstein. Como parte de los fenómenos de transporte en soluciones de macromoléculas se discuten las medidas de viscosidad y la evaluación del peso molecular de estos sistemas moleculares. Se deja para el capítulo 18 el análisis de los fenómenos de transporte de soluciones de electrolitos y las leyes que los describen, se estudian las movilidades iónicas, los factores que las afectan y se desarrolla el modelo simplificado de Debye-Hückel-Onsager y sus limitaciones en el análisis de este tipo de soluciones. El capítulo 19 se cubren los temas de cinética química formal y los elementos de la teoría del complejo activado, mientras que los capítulos 20 y 21 están destinados a presentar los elementos de estructura de sólidos y de líquidos. Finalmente un comentario sobre el sistema de unidades. En el texto se han empleado básicamente las recomendadas por el sistema internacional (SI), combinando también aquéllas que son de uso frecuente en el lenguaje técnico. En estos casos, se indican las equivalencias correspondientes con las recomendadas por el SI.