Programa de Química Inorgánica 2o semestre 2012

El Curso de Química Inorgánica del PCU

Se trata de una materia perteneciente al plan de estudios de la Tecnicatura Superior en Química y de la Licenciatura en Ecología, de 16 semanas de duración, con una carga horaria de 6 horas semanales (96 horas totales). Puede ser cursada por todos los alumnos que hayan obtenido la condición de Regular en Química General.

El cursado de Química Inorgánica se ha estructurado en turnos teórico-prácticos, que incluyen presentación y análisis de conceptos teóricos, aplicación a problemas específicos, experimentos demostrativos o semidemostrativos y prácticas de laboratorio en grupos de 2 estudiantes, estas últimas de asistencia obligatoria.

El curso de Química Inorgánica tiene por propósito presentar un panorama general de las sustancias químicas inorgánicas de aparición frecuente. Se pondrá el énfasis en la interpretación de comportamientos químicos y fisicoquímicos en términos de modelos apropiados, la racionalización de tendencias, predicción de la reactividad, propiedades y el análisis de las características salientes de sistemas químicos de interés tecnológico, industrial, ambiental o social. Los contenidos de Química General (fundamentos de estructura y reactividad) se utilizan activamente en este proceso de descripción/interpretación/predicción. A su vez, el conocimiento de los sistemas químicos objeto de estudio en Química Inorgánica permitirá a los estudiantes comprender los efectos ambientales y métodos de análisis de los mismos, así como su integración en sistemas biológicos y su aparición en procesos productivos.

El curso de Química Inorgánica aborda temáticas como: estructura, reactividad, relevancia tecnológica y ambiental de algunos compuestos de los elementos representativos y de transición, tendencias, metalurgias y procesos biogeoquímicos de algunos elementos. Se comienza con una unidad de termoquímica y a continuación cinética química. Luego se incluye una unidad correspondiente al estudio de los equilibrios redox y electroquímica, que completa el panorama de equilibrios vistos en Química General y permite un mejor abordaje del estudio de las propiedades de los compuestos inorgánicos. En la medida de lo posible, los ejemplos seleccionados para la fijación de conceptos constituyen además en sí mismos problemas de interés en los campos específicos de los futuros profesionales, así como de actualidad en temáticas de interés social.

Objetivos generales

Se espera que al finalizar la materia los estudiantes estén en condiciones de: —» Describir con precisión los cambios observados en un experimento, interpretarlos en

términos de reacción química y/o de los modelos adecuados. —» Interpretar propiedades moleculares en términos de estructura electrónica y enlace químico. —> Vincular la naturaleza y estructura de los compuestos químicos con sus propiedades físicas y

químicas macroscópicas. —» Reconocer tendencias en las propiedades químicas y físicas de diversos compuestos

orgánicos e inorgánicos, interpretar estas tendencias en términos de modelos adecuados. —» Describir los aspectos químicos característicos de diversos compuestos e inorgánicos.

Contar aparatos sencillos de laboratorio para operaciones elementales.

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—» Describir la información contenida en diagramas bidimensionales, utilizarla para la resolución de situaciones específicas.

—» Identificar situaciones de interés industrial o ambiental cuyos aspectos problemáticos puedan ser parcialmente encarados con conceptos de composición, equilibrio químico o velocidad de reacción.

—» Explicar los fundamentos de los métodos de obtención en laboratorio, y a escala industrial, de productos químicos representativos.

—» Analizar las estrategias generales y características de algunas etapas particulares de procesos de producción de sustancias químicas.

—» Identificar los cambios químicos que tienen lugar en algunos procesos complejos de relevancia ambiental.

—» Reconocer e interpretar la distribución de algunos elementos y compuestos en ambientes naturales.

UNIDADES DE CONTENIDO

Contenidos Conceptuales:

Bases termodinámicas de las reacciones químicas: entalpia, entropía, energía libre, criterios de espontaneidad. Carácter reversible y dinámico del Equilibrio Químico. Influencia de la presión y la temperatura sobre el equilibrio químico. Velocidad de las reacciones químicas, dependencia de factores intrínsecos y externos. Mecanismo de reacción. Reacciones de óxido-reducción: métodos de igualación de ecuaciones, espontaneidad de procesos redox. Pilas y electrólisis. Estructura electrónica de moléculas en términos de orbitales y enlace de valencia. Influencia de la estructura electrónica sobre las características químicas. Estructura molecular y supramolecular, influencia sobre las propiedades físicas. Tendencias en las propiedades físicas y químicas de sustancias inorgánicas. Interpretación de la absorción de radiación electromagnética por moléculas en términos de orbitales. Reactividad redox del H2, influencia del pH. Métodos de obtención industrial de sustancias de interés: hidrógeno, agua pesada, oxígeno, nitrógeno, azufre, ácidos nítrico, fosfórico y sulfúrico, metales alcalinos y alcalinotérreos, metales de transición, silicio. Acidez, basicidad y anfoterismo de óxidos. Usos corrientes de compuestos de metales alcalinos y alcalinotérreos. Estados de oxidación comunes de los elementos representativos; efecto de "par inerte". Estados de oxidación más comunes y más estables de los metales de transición. Influencia del pH y de la formación de complejos sobre el potencial redox de una especie. Nomenclatura de compuestos de coordinación. Estabilidad y labilidad de compuestos de coordinación. Transiciones electrónicas d-d y espectros de absorción. Aplicaciones industriales y tecnológicas de compuestos de coordinación. Consecuencia de los equilibrios acoplados redox/ácido-base y redox/complejación sobre ciertos procesos industriales (por ejemplo: latonado) y sobre la contaminación de aguas. Distribución de especies químicas en reservorios naturales. Transformaciones naturales de elementos y compuestos.

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Contenidos Procedimentales:

Predicción del sentido espontáneo de reacciones químicas. Descripción de los cambios macroscópicos observados en reacciones químicas completas o que involucran desplazamiento de equilibrios químicos. Análisis de la influencia de variables externas sobre el equilibrio. Análisis de la influencia de variables intrínsecas y externas sobre la velocidad de las reacciones. Diferenciación entre espontaneidad termodinámica y observabilidad cinética. Representación gráfica de fenómenos físicos y químicos: variaciones temporales, interdependencia de variables. Selección de representaciones adecuadas para la descripción que se pretende dar. Identificación de especies químicas en base al desarrollo de una señal visible frente al agregado de reactivos químicos. Interpretación y predicción de comportamientos químicos en función de la estructura electrónica y molecular. Análisis de propiedades físicas en base a la naturaleza química y la estructura molecular y supramolecular del sistema en estudio. Interpretación de variaciones de color o estado físico en términos de cambio químico. Predicción del carácter ácido o básico, oxidante o reductor, de soluciones acuosas de sales de metales de transición. Descripción de las diferentes etapas involucradas en la obtención de compuestos representativos; fundamentación elemental de la elección de reactivos y condiciones de reacción. Análisis de la influencia de variables intrínsecas y externas sobre la distribución de productos de las reacciones.

Aplicación de informaciones contenidas en diagramas bidimensionales al análisis de situaciones.

Contenidos Actitudinales: Interés en la caracterización de productos naturales y/o de aplicación industrial. Valoración del trabajo experimental. Interés en problemas y desafíos característicos de procesos naturales, tecnológicos, de interés social. Pulcritud en el trabajo experimental. Tareas compartidas y repartidas en el trabajo experimental e intelectual. Búsqueda de información bibliográfica en fuentes diversas. Análisis de problemas de diferente grado de complejidad. Reconocimiento del valor de los diagnósticos precisos previos a la elaboración de estrategias.

Los contenidos enunciados se desarrollan a través de los temas detallados en el Programa Analítico, que se adjunta como Anexo.

METODOLOGÍA Y ACTIVIDADES

Presentación de conceptos generales y ejemplos seleccionados por parte de los docentes.

Análisis de situaciones-problema por los docentes. Análisis y resolución de guías de problemas por los estudiantes, en forma individual y/o en grupos, dentro y fuera del horario de clases. Demostraciones experimentales a cargo de los docentes.

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Discusión con los docentes en forma individual (consultas) o grupal de los problemas resueltos, en horarios de clase, y en horarios adicionales de consultas. Ejecución de prácticos de laboratorio (en horarios de clases) en grupos de 2 personas, en base a guías de trabajo y a indicaciones de los docentes. Presentación de informes de los prácticos de laboratorio. Lectura de bibliografía por parte de los estudiantes, en horarios extra-clases, en base a las recomendaciones de los docentes (ver ítem bibliografía).

Nota: en el anexo se presenta, junto con el programa analítico, un cronograma de actividades.

EVALUACION Y ACREDITACION

Las guías de problemas tienen una doble finalidad: por un lado, constituyen la ejercitación que permite fijar los conceptos analizados en clase, en base al trabajo personal; por otro lado, dan una referencia al estudiante acerca del grado de progreso que está realizando, en la medida en que logra resolver (con las consultas pertinentes) los problemas de cada serie. Las consultas sobre los problemas permitirán a los docentes tener una idea acerca del grado de avance y las dificultades generales registrados por el curso. Las series de problemas incluyen ejercicios que van integrando los conceptos desarrollados en cada bloque; además, en ciertos casos se incluyen series de problemas integradoras.

El control del grado de progreso individual se efectuará a través de dos exámenes parciales, y de los informes de los prácticos de laboratorio. Los informes deberán ser entregados al comienzo de la clase siguiente a aquella en que se realizó el práctico, y podrán ser aprobados, devueltos a los estudiantes para corrección de algunos aspectos de los mismos, o considerados insuficientes; en este último caso, deberá realizarse nuevamente el práctico. No podrá faltarse a más de dos trabajos prácticos durante la cursada.

Para aprobar la materia los estudiantes deberán rendir un examen final. Estarán habilitados para rendir examen final aquellos estudiantes que hayan aprobado cada uno de los exámenes parciales y cada uno de los informes correspondientes a los prácticos de laboratorio. Los parciales no aprobados podrán ser recuperados, habiendo un recuperatorio por parcial, así como una fecha para la recuperación de Trabajos prácticos.

Los estudiantes que se presenten en condición de libres deberán aprobar tres instancias de evaluación, correspondientes a los conocimientos examinados en la cursada regular en los parciales, en los laboratorios (incluye la realización de una práctica) y en el examen final de la materia. Aquellos estudiantes que decidan presentarse bajo esta modalidad, deberán informar al profesor Responsable del Area de Química en fecha previa a los exámenes a fin de poder preparar las distintas instancias de evaluación.

BIBLIOGRAFÍA

El programa del curso fue establecido en base a los criterios generales detallados. No existe un texto acorde al enfoque y desarrollo escogidos que incluya todos los tópicos correspondientes a Química Inorgánica. Para el estudio de muchos aspectos descriptivos de los "Sistemas Químicos Inorgánicos" los capítulos de química inorgánica de los siguientes libros son adecuados:

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Química. Molécula, materia y cambio. P. Atkins y L. Jonnes, Ed. W. H. Freeman & Co, 3era

ed. Química General K. Whitten, K. Gailey, R. Davis. Mc Graw Hill Química. Raymond Chang. 4o, 5o o 6o Ed. Me Graw Hill Química: la ciencia central. T. H. Brown, L. Bursten y colab. Prentice Hall Química Inorgánica Descriptiva.G. Rayner Canham. Ed. Pearson Prentice-Hall Química General. P. W. Atkins. Ed. Omega Química General (vol I y II) Petrucci, Harwood, Herring. Ed. Pearson- Prentice Hall

Para profundizar los conocimientos en Química Inorgánica o buscar información sobre tópicos específicos, podrán consultarse los siguientes textos:

Química Inorgánica Básica. F. A. Cotton, G. Wilkinson, Ed. Limusa Química Inorgánica. P.W.Atkins, D. Shriver, H. Langford, Ed. Reverté. Química de los Compuestos de Coordinación. F. Basolo, R. Johnson, Ed. Reverté

También se dispondrá de material didáctico en la plataforma educativa virtual de la asignatura.

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ANEXO:

PROGRAMA ANALÍTICO Y CRONOGRAMA PARA QUÍMICA INORGANICA

Capítulo 1: Termoquímica. (Semana N° 1) 1.1. Contenido energético y cambios energéticos en reacciones químicas y procesos físicos. 1.2. Calorimetría: Calor específico. Capacidad calorífica. Calorimetría a volumen constante y a presión constante. 1.3. Energía interna, trabajo y calor. Primer principio de la termodinámica. Entalpia: Entalpia estandar de formación y reacción. 1.4. Entropía. Segundo principio de la termodinámica. Cambios de entropía del sistema. Cambios de entropía del entorno. 1.5. La tercera ley de la termodinámica y la entropía absoluta.

1.6. Energía libre de Gibbs. Cambios de energía libre. Energía libre y espontaneidad de procesos.

Capítulo 2: Cinética química. (Semana N°2) 2.1. Concepto de velocidad de reacción. Definición en función de la estequiometría. 2.2. Leyes de velocidad. Determinación experimental de la ley de velocidad. 2.3. Relación entre concentración de reactivos y velocidad de reacción. Reacciones de primer orden y segundo orden. 2.4. Dependencia de la constante de velocidad respecto de la energía de activación y la temperatura. Ecuación de Arrhenius. Teoría de las colisiones en cinética química. 2.5. Mecanismos de reacción. Leyes de velocidad y etapas elementales. 2.6. Catálisis. Acción y efecto de catalizadores. Catálisis en fase homogénea y heterogénea Catálisis en procesos biológicos. Capítulo 3: Electroquímica y equilibrio redox. (Semana Nº 3 y 4). 3.1. Reacciones de óxido-reducción. Tendencia a la reducción y potencial de reducción. 3.2. Espontaneidad de reacciones redox. 3.3. Celdas galvánicas. Pilas. 3.4. Efecto de la concentración sobre los potenciales de reducción. Ecuación de Nernst. Dependencia de la FEM con las concentraciones. Celdas de concentración. 3.5. Electrólisis. Electrólisis en disolución. Electrodeposición.

Capítulo 4: Elementos representativos: hidrógeno y oxígeno. (Semana 5 y 6). 4.1. Hidrógeno oxígeno. Distribución y abundancia en el Universo. Isótopos. Obtención y aplicaciones del hidrógeno y el oxígeno. Rol del hidrógeno en el desarrollo de energías alternativas. 4.2. Reactividad redox, influencia del pH, diagrama de Pourbaix del agua. Corrosión. Sustancias principales: óxidos, peróxidos, superóxidos, agua, agua oxigenada, ozono, agua pesada. Rol del oxígeno en entornos naturales.

Capítulo 5: Elementos del Bloque p y sus compuestos (Semana 7, 8 y 9).

5.1. Halógenos. Distribución en entornos naturales. Tendencias generales: alotropía, atomicidad, estados de oxidación comunes, estado físico de los elementos y sus compuestos. Reactividad: aniones monoatómicos y solubilidad de sales, radicales libres y consumo de ozono, química redox y diagramas de Latimer. Óxidos, ácidos y oxoácidos: uniones químicas, geometrías moleculares, fuerza de ácidos.

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5.2. Calcógenos. Distribución en entornos naturales. Tendencias generales: atomicidad, estados de oxidación comunes, estado físico de los elementos y sus compuestos. Compuestos con hidrógeno. Diagrama de distribución de especies en función del pH para ácidos polipróticos. Óxidos y oxoácidos del azufre. Equilibrio de solubilidad, efecto del pH. 5.3. Grupos del Nitrógeno. Distribución en entornos naturales. Estado físico de los elementos, atomicidad, estados de oxidación frecuentes. Óxidos: estructuras moleculares y reacciones con agua. Oxoaniones y oxoácidos, poder oxidante y pH. 5.4. Grupo del Carbono. Distribución en entornos naturales. Tendencias generales: alotropía, atomicidad, estados de oxidación comunes, estado físico de los elementos y sus compuestos. Óxidos del carbono y oxoaniones. Óxidos del silicio y silicatos. 5.5. Grupo del Boro. Distribución en entornos naturales. Tendencias generales: atomicidad, estados de oxidación comunes, estado físico de los elementos y sus compuestos. Óxidos, oxoácidos y oxoaniones.

Capítulo 6: Procesos químicos inorgánicas de interés industrial (Semana 10 y 11). 6.1. La industria química. 6.2. Cloro: materias primas, obtención industrial de cloro, método de cloro-sosa, subproductos. Obtención de lavandina. Industria del papel. 6.3. Ácido sulfurico: obtención de azufre, métodos de producción industrial de ácido sulfurico. Usos del ácido sulfurico y sus derivados. 6.4. Amoníaco: proceso Haber-Bosch, usos del amoníaco y sus derivados. 6.5. Ácido nítrico: proceso Ostwald, usos del ácido nítrico. 6.6. Fosfatos: fertilizantes.

Capítulo 7: Metales representativos y de transición (Semana 12 y 13). 7.1. Elementos del Bloque s: metales alcalinos y alcalino-térreos. Características físicas y químicas, tendencias periódicas. Configuración electrónica. Estados de oxidación. 7.2. Aplicaciones. Materiales de construcción (cal, yeso, mármol, etc.). Aguas duras y ablandamiento. Rol del litio en el desarrollo de energías alternativas: pilas y baterías. 7.3. Elementos del Bloque d: metales de transición. Características físicas y químicas, tendencias periódicas. Configuraciones electrónicas. Estados de oxidación. Propiedades redox. 7.4. Equilibrios acoplados: redox / ácido-base, redox / precipitaión: Diagramas de Pourbaix.

Capítulo 8: Compuestos de coordinación (Semana 14 y 15).

8.1. Compuestos de coordinación: formación de compuestos de coordinación, ácidos y bases de Lewis, estructura, nomenclatura, estabilidad. Reacciones de intercambio de ligandos. Equilibrios de formación de complejos. Equilibrios combinados. 8.2. Hidrólisis de cationes. 8.3. Propiedades y aplicaciones: color, propiedades magnéticas, rol en sistemas biológicos, utilización en procesos industriales: catálisis, ablandamiento de aguas, purificación, acabado de metales, medicina y análisis químico.

Capítulo 9: Procesos químicos inorgánicas de interés industrial: obtención de metales (Semana 16).

9.1. Obtención de elementos metálicos a partir de sus minerales: enriquecimiento, tostación, reducción y purificación. Métodos de reducción en relación a la electronegatividad. Diagramas de Ellingham.

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9.2. Obtención de hierro en altos hornos. Aplicaciones. 9.3. Obtención y purificación de cromo, cobre, níquel y titanio. 9.4. Obtención industrial de aluminio: proceso Bayer y proceso Hall-Hérault. Aplicaciones.

PRÁCTICAS DE LABORATORIO: 1) Velocidad de reacción 2) Corrosión 3) Obtención de productos químicos de interés comercial: fosfato disódico y de sulfato de

calcio (yeso) 4) Purificación de Sulfato de Cobre Industrial

ACTIVIDADES EXPERIMENTALES DEMOSTRATIVAS O SEMIDEMOSTRATIVAS: Descomposición de agua oxigenada: Determinación de la entalpia de reacción. Reacciones redox y procesos electroquímicos (pilas y electrólisis) Propiedades redox del H2O2 Óxidos ácidos y básicos Poder deshidratante del H2SO4 Hidrólisis Equilibrios combinados del ion Ag+ en solución acuosa Latonado de piezas metálicas Formación de complejos en solución

Dra. Anita Zalts Coordinadora de la Tecnicatura Superior en Química

2 semestre de 2012

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