Programa de la disciplina de Química de la Ingeniería Mecánica (Acorde con los planes de estudio C) (página 2)

PLAN TEMÁTICO

DISTRIBUCIÓN DE HORAS POR ACTIVIDADES Y TEMAS.

*C (conferencias) *CP (clases prácticas) *L (laboratorios) *S (seminarios) *E (evaluación)

Contenidos (TEMAS Y SUBTEMAS DE LA ASIGNATURA)

Tema I: "Estructura de las Sustancias y sus Propiedades"

1.1.- Estructura Atómica Moderna y Tabla Periódica.

1.2.- Enlace Químico. Propiedades de las sustancias y Materiales electrótecnicos.

Tema II: "La Reacción Química"

2.1.- La reacción química como sistema. Estequiometría, termodinámica y cinética.

2.2.- Equilibrio químico.

2.3.- Electroquímica y corrosión.

Tema III: "Equilibrio de Fases"

3. Equilibrio de Fases

Sistema de Valores

• Honestidad ante el trabajo.
• Humanismo.
• Actitud crítica y autocrítica.
• Sensibilidad.
• Creatividad ante los problemas.
• Respeto por la propiedad intelectual.

(Este sistema de valores general es el que va regir el trabajo todos los temas y subtemas del programa de estudio de la asignatura)

Sistema de métodos y formas.

En conferencias: (Motivación y BOA).

• Expositivo ? ilustrativa o conversación heurística para la elaboración conjunta en el establecimiento de las invariantes de cada tema y los algoritmos que servirán de modelo durante las acciones que se desarrollarán en las siguientes etapas.

En clases prácticas: (Acción Materializada)

• Métodos activos a través del trabajo independiente o en pequeños grupos basado en el uso de los algoritmos de trabajo que sirven en modelo para el desarrollo de las principales acciones y operaciones.

En las prácticas de Laboratorio: (Acción Materializada)

• Trabajo independiente basado en el empleo del método de la investigación científica, para comprobar el proyecto que pueda dar solución a una situación o problema en la práctica.

En los Seminarios (Etapa Verbal)

• Análisis Verbal independiente de todas las operaciones que conforman la acción con apoyo indirecto en objetos materiales. Se deja de trabajar con el algoritmo, adquiriendo el lenguaje una nueva función comunicativa. El trabajo puede desarrollarse individual, en parejas o en grupos.

• Preguntas y respuestas por sorteo.
• Paneles.
• Mesas redondas.
• Ponencias y oponencias.

Sistemas de medios:

• Libro de texto y manual de prácticas de laboratorio.
• Retrotransferencias.
• Computadoras y software.
• Reactivos y utensilios de laboratorio.
• Pizarra y Tiza

(estos medios son los que se van a utilizar e en todos los temas y subtemas de la asignatura)

Bibliografía:

1. Programa de la Disciplina Química.
2. De Lara A.R. y otros. "Química General" Editorial Pueblo y Educación. 1986.
3. Bogoroditsbi N.P. y otros. "Materiales Electrotécnicos". Editorial MIR.

SISTEMA DE EVALUACIÓN

Al principio de cada subtema se dará la base orientadora de la actividad (BOA). La acción materializada se llevará a cabo en las clases prácticas. Cuando en un subtema haya más de una clase práctica, en las primeras se controlará, sin calificación, la calidad de la acción teniendo en cuenta: la forma de la acción, el grado de independencia y el grado de generalización. En la última clase práctica se incluirá una pregunta escrita y se emitirá una calificación que tendrá en cuenta el desarrollo de la acción en las clases prácticas anteriores.

En los laboratorios el estudiante trabajará de forma independiente aplicando el método de la investigación científica. Se realizará pregunta inicial, control de la manipulación y se recogerá un informe final en la próxima sesión.(En total 5 laboratorios).

Se desarrollan tres seminarios, uno sobre el Tema 1 y dos en el Tema 2

Se orientan dos trabajos extraclase sobre el Tema 1 y el Tema 2 con carácter evaluativo, dada la necesidad de integrar lo académico, lo productivo o laboral y lo científico-investigativo.

Las evaluaciones acumuladas junto al examen final, permitirán emitir la calificación final del estudiante.

Tema I "Estructura de las Sustancias y sus Propiedades"

1.1.- Estructura Atómica Moderna y Tabla Periódica.

1.2.- Enlace Químico. Propiedades de las sustancias y materiales electrotécnicos.

Problema: La necesidad de interpretar las propiedades de las sustancias puras de interés en Ingeniería Mecánica, a partir de la caracterización de sus estructuras; como prerrequisito indispensable para la caracterización, identificación, clasificación, de aleaciones, mezclas líquidas y gaseosas, etc. así como los efectos nocivos de la contaminación ambiental.

Objeto: Las estructuras y propiedades que se manifiestan en las sustancias puras que, forman parte de los materiales de interés en Ingeniería Mecánica.

Objetivo General: (Habilidad)

Establecer las interrelaciones de causa-efecto entre la estructura de las sustancias, sus propiedades y aplicaciones.

(En cada subtema se mantiene el objetivo; pero aplicado al campo de acción correspondiente).

• En el subtema 1.1: Las estructuras y propiedades que caracterizan y se manifiestan en los elementos químicos de interés en Mecánica; así como su sistematización en la tabla periódica.
• En el subtema 1.2: Las estructuras y propiedades que caracterizan y se manifiestan en las sustancias puras (simples o compuestas) de interés en Mecánica.

Sistema de Conocimientos

Subtema 1.1. Estructura Atómica Moderna y Tabla Periódica.

Estructura del átomo según la mecánica Cuántica. Concepto de orbital atómico. Números Cuánticos. Distribución electrónica. Estructura de la tabla periódica de 18 columnas. Clasificación de los elementos químicos. Carga nuclear efectiva. Propiedades periódicas. Variación de las propiedades periódicas en un grupo y período de elementos representativos.

Subtema 1.2. Enlace Químico. Propiedades de las sustancias y Materiales electrotécnicos.

Enlace químico. Tipos de enlace. Modelo teórico de enlace Iónico. Ciclo de Born?Haber. Propiedades de los compuestos iónicos. Enlace covalente. Teoría del enlace de valencia. Polaridad de enlace. Momento dipolar. Moléculas polares y apolares. Teoría de orbitales moleculares. Hibridación de orbitales. Interacciones entre iones y moléculas y entre moléculas. Propiedades de los compuestos covalentes. Teoría de las bandas. Conductividad eléctrica en los sólidos. Aplicación de la teoría de las bandas a la explicación del enlace metálico. Propiedades de los metales. Conductores y semiconductores

SISTEMA DE ACCIONES:

Subtema 1.1.

1. Representar la configuración electrónica de los átomos que forman cada elemento dado Z (numero atómico) aplicando las reglas y principios para el llenado de los orbitales atómicos.
2. Inferir las propiedades que se derivan de la estructura del átomo.
3. Identificar, clasificar y ubicar los elementos en la tabla periódica a partir de su estructura electrónica.
4. Deducir de la configuración electrónica de los átomos de los datos que la misma ofrece.
5. Valorar las propiedades atómicas periódicas de los elementos a partir de la ubicación en la tabla periódica y teniendo en cuenta: la carga nuclear efectiva, el tamaño de los átomos y el tipo de orbital en que se encuentra el electrón más alejado del núcleo.
6. Comparar las propiedades periódicas a partir de la ubicación de los elementos en la tabla periódica, tomando como base:

• La carga nuclear efectiva.
• El radio atómico e iónico.
• El tipo de orbital en que se inserta el electrón diferenciante.

Subtema 1.2.

1. Predecir el tipo de enlace que se producirá, basándose: de forma aproximada, en la ubicación en la tabla periódica de los elementos enlazados y; con mayor precisión, a partir de la diferencia de sus electronegatividades.
2. Caracterizar cada tipo de enlace teniendo en cuenta los modelos y teorías correspondientes para su estudio.
3. Determinar la estabilidad del enlace formado a partir del balance energético, aplicando la teoría correspondiente en cada caso.
4. Determinar la forma geométrica de la estructura formada aplicando los criterios correspondientes según el tipo de enlace. Análisis geométrico.
5. Inferir las propiedades de las sustancias a partir de las características generales de su estructura.
6. Relacionar las propiedades de las sustancias con los materiales de interés electrónicos.
7. Resolver problemas donde se calculen los principales parámetros relacionados con el tema.
8. Comprobar experimentalmente la relación entre las propiedades de las sustancias y el tipo de enlace que caracteriza la unión entre sus átomos.
9. Diferenciar las sustancias iónicas, covalentes y metálicas, según la manifestación experimental de sus principales propiedades.

Tema II: "La Reacción Química como Sistema"

Subtemas:

2.1.- La reacción química. Termodinámica y cinética.

2.2.- Equilibrio Químico.

2.3.- Electroquímica y corrosión.

Problema: La necesidad de interpretar, desde el punto de vista estructural, estequiométrico, cinético y termodinámico, los procesos químicos y químico-físicos de interés para la Ingeniería Mecánica.

Objeto: Los procesos químicos y químico – físicos (reacciones químicas como sistemas)

El objeto es el mismo en todos los subtemas; sólo cambian los enfoques para su estudio o las condiciones en que se encuentra, su esencia es la misma.

Objetivo General del Tema (Habilidad)

Interpretar íntegramente la reacción química como sistema, desde el punto de vista termodinámico y cinético, tanto si se efectúa de forma irreversible o si alcanza un equilibrio químico.

(En cada subtema se mantiene el objetivo; pero aplicado al campo de acción correspondiente).

• Subtema 2.1-Interpretar la reacción química como sistema, desde el punto de vista termodinámico y cinético, en reacciones irreversibles
• Subtema 2.2-Interpretar la reacción química como sistema, desde el punto de vista termodinámico y cinético, en reacciones reversibles que alcanzan el estado de equilibrio sin cambios en el grado de oxidación
• Subtema 2.3. Interpretar la reacción química como sistema, desde el punto de vista termodinámico y cinético, en reacciones reversibles que alcanzan el estado de equilibrio con cambios en el grado de oxidación

Sistema de Conocimientos

Subtema 2.1. La reacción química. Termodinámica y cinética.

Estado del sistema. Función de estado. Calor y trabajo. Primer principio de la termodinámica. Entalpía de reacción: entalpía de formación y de combustión. Entropía. Variación de la entropía en una reacción química.

Energía libre. Variación de la energía libre en una reacción química. Criterio termodinámico de espontaneidad. Cinética química. Velocidad de reacción. Factores que influyen en la velocidad de la reacción. Energía de activación.

Subtema 2.2. Equilibrio Químico.

Equilibrio químico. Caracterización del estado de equilibrio químico. Kc y Kp, su relación. Relación entre la Ke y la energía libre. Influencia de la temperatura en el valor de la Ke. Disolución acuosa de electrolitos. Clasificación de los electrolitos. Teoría ácido-base de Bronsted-Loury. pH y pOH. Ionización de ácidos y bases débiles. Hidrólisis salinas. Disoluciones Buffer. Equilibrio en electrolitos poco solubles. Solubilidad y Kps. Precipitación de electrolitos.

Subtema 2.3. Electroquímica y corrosión.

Concepto de oxidación y reducción. Electrodo reversible. Potencial normal. Tabla de potenciales normales de electrodo. Desplazamiento del equilibrio en el electrodo. Ecuación de Nernst. Pilas galvánicas, fem de una pila. Variación de la energía libre en un proceso redox. Diagramas de potenciales. Aplicación de los potenciales de electrodo a la predicción de reacción redox. Polarización de electrodos. Electrólisis. Predicción de las reacciones catódicas y anódicas en una electrólisis a partir de los potenciales de electrodos. Leyes de Faraday. Corrosión. Mecanismo de corrosión electroquímica. Velocidad de corrosión. Factores que influyen en la corrosión. Métodos de control.

Subtema 2.1

SISTEMA DE ACCIONES:

1. Aplicar el sistema conceptual para caracterizar los diferentes sistemas, procesos y parámetros termodinámicos.
2. Aplicación de las expresiones matemáticas relacionadas con el primero, segundo y tercer principios de la termodinámica como base para otros cálculos específicos.
3. Aplicar las diferentes ecuaciones obtenidas, como método para resolver problemas prácticos relacionados con el tema, vinculándolos con la Ingeniería Mecánica
4. Interpretación del comportamiento de los procesos estudiados (reacciones químicas) a partir de los resultados numéricos calculados.
5. Explicar el efecto de los factores que determinan la velocidad de reacción, basándose en los fundamentos de las teorías de las colisiones y la del complejo activado.
6. Determinar a partir de datos experimentales la ley de velocidad y los parámetros relacionados con la misma.
7. Interpretar curvas de Ep vs Cr.
8. Resolver problemas relacionados con el cálculo de los principales parámetros que caracterizan el comportamiento cinético de las reacciones químicas (Energía de activación y la Velocidad de reacción).
9. Interpretar el comportamiento cinético de las reacciones químicas a partir de los valores numéricos de los parámetros cinéticos calculados
10. Resolver experimentalmente en el laboratorio, situaciones problémicas relacionadas con el comportamiento cinético y termodinámico de las reacciones químicas, aplicando el algorítmo del método investigativo.
11. Determinar experimentalmente el calor de una reacción química a presión constante, así como la ley de velocidad de una reacción química

Subtema 2.2

SISTEMAS DE ACCIONES:

1. Identificar los tipos de equilibrio químico.
2. Formulación de la ecuación que representa el equilibrio químico presente.
3. Selección de la constante de equilibrio que corresponde al sistema dado.
4. Interpretación de la Ke relacionándola con los potenciales termodinámicos.
5. Resolver las expresiones matemáticas correspondientes en función de los datos de problemas de cálculo.
6. Interpretación de los resultados
7. Resolver experimentalmente en el laboratorio, situaciones problémicas relacionadas con el comportamiento de las reacciones químicas en estado de equilibrio, aplicando el algorítmo del método investigativo
8. Determinar experimentalmente, parámetros que caracterizan a procesos químicos en equilibrio no redox.

Subtema 2.3

SISTEMA DE ACCIONES:

1. Determinación de la condición de proceso Redox o no, de una reacción química, así como las diferentes categorías presentes en ella.
2. Identificación del tipo de proceso Redox.
3. Caracterización del sistema a partir de los potenciales de electrodo. Si el electrodo no se encuentra en condiciones normales debe ser rectificado teniendo en cuenta las variables correspondientes y el efecto de su polarización (concentraciones, pH y sobrevoltaje).
4. Cálculo de los parámetros termodinámicos vinculados con los procesos electroquímicos.
5. Interpretar los valores de los parámetros calculados.
6. Interpretar diagramas de potenciales.
7. Utilizar las leyes de Faraday en las pilas y en la electrólisis.
8. Relacionar los procesos redox con la corrosión y la protección contra este proceso.
9. Resolver experimentalmente en el laboratorio, situaciones problémicas relacionadas con los procesos electroquímicos, aplicando el algorítmo del método investigativo.

Tema III: Equilibrio de Fases

Problema:La interpretación de los diagramas de fase constituye una base parael trabajo diario de la especialidad

Objeto: Diagramas de estados de equilibrios de fases

Objetivo General del Tema: (Habilidad)

Interpretar diagramas de fases de sistemas binarios en los equilibrios líquido-gas y sólido – líquido, en los casos más comunes.

Sistema de conocimientos:

Equilibrio liquido-vapor y temperatura de ebullición. Sistemas ideales de dos componentes. Sistemas reales de dos componentes con variación gradual de la presión total a la temperatura de ebullición. Diagrama de fases de sistemas ideales reales. Destilación fraccionada Aleaciones metálicas, importancia y estructura. Mezclas mecánicas. Soluciones sólidas. Combinaciones químicas. Regla de las fases. Curvas de enfriamiento. Propiedades de las aleaciones y sus aplicaciones.

SISTEMA DE ACCIONES

1. Caracterización cualitativa general de los sistemas en equilibrio de fases.
2. Cálculo de los distintos parámetros que caracterizan cuantitativamente los sistemas en equilibrio de fases, aplicando las leyes, principios y reglas que corresponda.
3. Explicación de los fenómenos relacionados con los fenómenos de superficie y los factores termodinámicos que los determinan.
4. Aplicación de la regla de las fases y la regla de los segmentos.
5. Interpretación de diagramas de fases de uno, dos y tres componentes.
6. Construcción de diagramas de fase a partir de las curvas de enfriamiento obtenidas experimentalmente.

Datos del autor:

Lic. Javier Hernández Obregón