Fisico-química I. Carrera: BQC Operaciones Unitarias lv. Operaciones Unitarias Vl. Operaciones Unitarias ll. Operaciones Unitarias V


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1 1.- DATOS DE LA ASIGNATURA. Nombre de la asignatura: Carrera: Clave de la asignatura: Horas teoría-horas práctica-crédito Fisico-química I Ingeniería en Industrias Alimentarias BQC UBICACIÓN DE LA ASIGNATURA. a). Relación con otras asignaturas del plan de estudio Anteriores Posteriores Asignaturas Temas Asignaturas Temas Termodinámica. Bioquímica. Propiedades Termodinámicas. Propiedades de Estado. Macromoléculas. Operaciones Unitarias lv Operaciones Unitarias Vl Operaciones Unitarias ll Operaciones Unitarias V Adsorción. Absorción. Evaporación, cristalización. Humidificación, secado y destilación. b). Aportación de la asignatura al perfil del egresado La comprensión de Los fenómenos implicados en las operaciones unitarias utilizadas en Los procesos para el aprovechamiento de los recursos Bióticos.

2 3.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO. Proporciona al alumno los conocimientos físicoquimicos necesarios para comprender Los fenómenos de superficie, las propiedaaos coligativas, La actividad del agua y los estados de dispersión, asi " como su aplicación a sistemas donde intervienen materiales biológicos. 4.- TEMARIO. Unidad Temas 1 Equilibrio de Fases en Sistemas multicomponentes y Espontaneidad. 1.1 Desigualdad de Clausius. Subtemas Concepto de equilibrio termodinámico Condiciones de equilibrio y espontaneidad bajo diferentes restricciones La energía libre de Gibbs Potencial químico. 1.2 Sistemas de un componente Aplicación de los criterios generales de equilibrio Ecuación de Clapeyrón Curvas de fusión Curvas de ebullición Sublimación Diagrama de fases Regla de las fases. 1.3 Fugacidad, concepto y cálculo.

3 1.3.1 Método del volunefi residual Método de la ecuación de estado Método de correlaciones generalizadas Cálculo de fugacidad para líquidos y sólidos. 1.4 Sistemas multicomponentes Concepto de propiedad molar parcial Regla de las fases de Gibbs Soluciones ideales. Ley de Raoult Soluciones binarias ideales Diagramas de temperatura vs. composición Soluciones no ideales Actividad y coeficiente de actividad Elección estado de referencia Ley de Henry Cálculo del coeficiente de actividad A partir de datos experimentales Regla de Bakhuis-Rooza Boom A partir de ecuaciones semiempíricas Formación de azeótropos. 1.5 Propiedades coligativas Disminución de La presión de vapor.

4 1.5.2 Descenso en el punto de congelación Aumento del punto de ebullición Presión osmótica. 1.6 Actividad de agua Definición, importancia y métodos de medición Modelos matemáticos Teóricos Empiricos. 2 Fenómenos de Superficie. 2.1 Fenómenos interfaciales Condiciones en una fase limite La tensión dentro de una superficie Cinética de moléculas en la superficie Tensión superficial y curvatura Energía superficial total Entropía superficial Tensión interfacial Entropía interfacial Cohesión y adhesión Relación entre tensión superficial y tensión interfacial Tratamiento de Gibbs.

5 Relación de Antonoff Ángulos de contacto Teoría Magnitud de ángulos de contacto de líquidos en sólidos Adhesión de líquidos a sólidos Medidas de La tensión superficial e interfacia Método del Capilar Método del Anillo Método de la gota pesada Medidas del ángulo de contacto. 2.2 Adsorción Método de la placa Método del balance húmedo Nociones básicas Tipos de interacción de adsorción Isotermas de adsorción Histéresis Ecuación de Henry Isoterma de adsorción de Langmuir Ecuaciones B.E.T Manifestación de la atracción adsorbato-

6 adsorbato Condiciones generales de equilibrio de la capa superficial con las fases volumétricas (aplicación de la tensión superficial) Casos particulares de equilibrio mecánico de la capa superficial con fases gaseosas y liquidas Fórmula de adsorción de Gibbs Conceptos Aplicaciones: substancias tensoactivas e inactivas Ecuación de estado e isoterma de adsorción Variación de la energía libre de adsorción Adsorción por adsorbentes porosos. Aplicación de tensión interfacial Adsorción a partir de soluciones liquidas Aplicaciones Cromatografía de gases Otras. 3 Estados de Dispersión. 3.1 Potencial electrocinético Doble capa electrostática Tratamiento analítico Influencia de iones sobre la doble capa. 3.2 Estado coloidal.

7 3.2.1 Introducción Clasificación de sistemas Coloidales Caracteristicas estructurales Preparación V purificación de sistemas coloidales. 3.3 Propiedades cinéticas de los sistemas coloidales El movimiento de partículas en medio liquido Movimiento browniano y difusión translacional. 3.4 Propiedades ópticas Efecto Tyndall Medida de la disipación de la luz Disipación por moléculas pequeñas Interferencias interparticular. 3.5 Sistemas dispersos Generalidades Soles liofobos Propiedades ópticas Movimiento browniano Determinación del tamaño de partículas Propiedades eléctricas Origen de la carga Precipitación por electrolitos.

8 Sensibilización y protección Solea, lióficos Viscosidad Tensión superficial y formación de espumas Signo de la carga eléctrica Estabilidad Solificación, coacervación Geles Estructura Imbición y sinéresis Tixotropia Precipitación en gélés Electrolitos coloidales Micelas iónicas Propiedades coloidales Jabones Órganosoles. 3.6 Preparación de disoluciones coloidales Métodos de condensación Métodos de dispersión. 3.7 Emulsiones.

9 3.7.1 Introducción Clasificación de emulsiones Emulsificantes Inversión de fase Estabilidad. Estabilización y Ruptura. 3.8 Espuma Características Estabilidad Ruptura. 3.9 Solución de Macromoléculas Biomoléculas que en solución se comportan como sistemas coloidales Asociación de macromoléculas Coagulación Gelación Sistemas coloidales en las industrias Biotecnológica Aplicaciones. 5.- APRENDIZAJES REQUERIDOS. Conceptos generales de Física y Química. Conocer las leyes fundamentales de la termodinámica y sus aplicaciones. Cálculo deferencial e Integral. Conocer la estructura de las macromoléculas biolñogicas principales.

10 6.- SUGERENCIAS DIDACTICAS. Llevar a cabo una Investigación experimental sobre diagramas de fases en soluciones. Efectuar investigaciones experimentales sobre las propiedades coligativas de las soluciones, fenómenos interfaciales y tensión superficial en soluciones utilizadas en la industria biotecnológica. Realizar prácticas experimentales durante el desarrollo del curso. Llevar a cabo visitas a industrias en donde se utilicen tos principios fisicoqumiicos de fenómenos de superficies y estados de dispersión, asi como su utilización de las mismas. Efectuar talleres de resolución de problemas durante el desarrollo del curso. Realizar sesiones grupales para la discusión de temas o artículos relacionados con el curso. 7.- SUGERENCIAS DE EVALUACION. Informes de investigaciones experimentales y prácticas realizadas. Participación del alumno en clases durante el curso. Revisión de problemas asignados. Informes de participación durante te discusión de los artículos asignados. NOTA: Los dos puntos anteriores deberán ser elaborados y/o enriquecidos por la Academia en conjunto con el Departamento de Desarrollo Académico. 8.- UNIDADES DE APRENDIZAJE. Unidad 1: Equilibrio de Fases en Sistemas Multicomponentes y Espontaneidad. Objetivo Educacional Cuantificar y conceptualizar el término diagrama de fases y equilibrio en sus diferentes regiones en sistemas multicomponentes. Asi como cuantificar a Actividades de Aprendizaje 1.2 Definir los conceptos de equilibrio termodinámico y la espontaneidad. 1.3 Definir diagramas de fases y sus reglas. 1.4 Aplicar y definir el concepto de fugacidad Fuentes de Información 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

11 través del conocimiento de las propiedades coligativas, ei efecto de la variación de la concentración del soluto sobre éstas. por sus diferentes métodos. 1.5 Definir que es un azeótropo y como se forma. 1.6 Comprender el significado de actividad de agua y sus implicaciones en los materiales biológicos. 1.7 Definir el término propiedades coligativas. 1.8 Cálculo de las propiedades tales como disminución del punto de congelación, disminución de la presión de vapor, así como el aumento del punto de ebullición y presión osmótica de sistema multicomponentes. Unidad 2: Fenómenos de Superficie. Objetivo Educacional Conceptualizar los fenómenos y la adsorción y aplicar éstos conceptos en Ingeniería Bioquímica. Actividades de Aprendizaje 2.1 Definir el concepto de fase límite. 2.2 Establecer Los principios energéticos en los que se basa el concepto de tensión superficial. 2.3 Definir Tensión superficial. 2.4 Comparar tos términos de cohesión y adhesión basándose en el concepto de tensión interfacial. Fuentes de Información 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, Explicar la relación entre tensión superficial y tensión interfacial, basándose en el tratamiento de Gibbs o la relación de Antonoff.

12 2.6 Relacionar la diferencia en magnitud del ángulo de contacto (>90, =90, <90) la adhesión de líquidos a sólidos. 2.7 Explicar los diferentes métodos para determinar la tensión superficial e interfacial. 2.8 Compara dos métodos de medición del ángulo de contacto. 2.9 Definir el termino adsorción y adsorbato Identificar las tipos de fuerzas que intervienen en la adsorción Escribir la ecuación de Henry y sus limitaciones Diferenciar la adsorción localizada y deslocalizada Expresar la ecuación de Langmuir Definir adsorción polimolécular Explicar las diferentes formas de las isotermas de adsorción de vapores Explicar la presión de gas dentro de una burbuja esférica Explicar la elevación capilar de un líquido Deducir la ecuación de adsorción de Gibbs Definir substancias tensoactivas e inactivas y su relación con el concepto de adsorción Relacionar las ecuaciones de estado y las isotermas de adsorción.

13 2.21 Explicar la variación de energía libre en la adsorción Relacionar la tensión interfacial con la adsorción en adsorbentes porosos Establecer la diferencia entre la adsorción en sólidos y la adsorción en soluciones. Unidad 3: Estados de dispersión. Objetivo Educacional Identificara os diferentes tipos de colides que pueden presentarseen los sistemas biológicos y basandose en el conocimiento de estos, dar ejemplos de su aplicación en la industria biotecnológica. Actividades de Aprendizaje 3.1 Definir el potencial Z y le emplee para la caracterización de sistemas dispersos. 3.2 Explicar lo que representa el sistema coloidal, cómo se clasifica y cuales son sus características generales. 3.3 Relacionar las propiedades cinéticas de los sistemas coloidales con sus características generales. 3.4 Explicar las propiedades ópticas de los sistemas coloidales en función de sus características generales. Fuentes de Información 1, 2, 6, 8, 11, 13, 14, 15, Comparar los sistemas coloidales con las soluciones verdaderas a través de sus características generales. 3.4 Diferenciar las sales de los geles y las sales liofobas de las sales liofilas en función de las características particulares de cada uno de ellos.

14 3.5 Establecer los mecanismos de estabilización, desestabilización y protección de los sistemas coloidales. 3.6 Relacionar carga eléctrica de moléculas iónicas con su comportamiento. 3.7 Explicar las formas de preparación de disoluciones coloidales y su aplicación en la producción de productos biológicos (alimentos, bebidas, medios de cultivo. 3.8 Definir emulsión y emulsificantes. 3.9 Explicar la importancia de las emulsiones en la industria biotecnológica, incluyendo estabilización y ruptura Explicar la importancia de la formación de espumas (beneficios y prejuicios) Explicar el comportamiento de soluciones de biomoléculas con base en el comportamiento general de los sistemas coloidales Aplicar los conceptos establecidos para sistemas coloidales en la industria biotecnológica a través de ejemplos concretos. 9.- FUENTES DE INFORMACION. 1. MOELWYN HUGHES. PHYSICAL CHEMISTRY. ED. PERGAMON PRESS. 2. LEVINE 1. M.

15 FISICOQUÍMICA. ED. MCGRAW-HILL. 3. BARROW. M.G. QUÍMICA-FÍSICA. ED. REVERTE. 4. KNIGHT A. R. INTRODUCTORY PHYSICAL CHEMISTRY. ED. PRENTICE-HALL. 5. GUERASIMOV Y. A.. ET. AL. CURSO DE QUÍMICA FÍSICA, TOMO 1. ED. MIR. 6. GLASSTONE S; TRATADO DE QUÍMICA-FÍSICA. ED. AGUILAR. 7, MARON S. H. & PRUTTON C.F. FUNDAMENTOS DE FISICOQUÍMICA. ED. LIMUSA. 8. ROCKLAND L.. B. BEUCHAT L. R. UATER ACTIVITY: TEORY AND APPLICATIONS TO FOOD. ED. MARCEL DEKKER. 9. SHAW D. J. INTRODUCTION TO COLLOID AND SURFACE CHEMISTRY. ED. BUTTERUORTHS. 10. DAVIES J. T. & RIDEAL E. K.. INTERFACIAL PHENOMENA. ED. ACADEMIC PRESS. 11. GRAHAM M. D. FOOD COLLOIDS. ED. AVI PUBLISHING CO. 12. AKERS R.J. FOAMS. ED. ACADEMIC PRESS. 13. SMITH A. L.. THEORY AND PRACTICE OF EMULSION TECHNOLOGY.

16 ED. SOCIETY OF CHEMICAL INDUSTRY. 14. BIKERMAN J. J. FOAMS. ED. SPRINGER-VERLAG. 15. FRIBERG S. FOOD EMULSION. ED. MARCEL DEKKER. 16. ADAMSON A. U. PHYSICAL CHEMISTRY OF SURFACE. AD. JOHN UILLEY AND SONS INC. 17. MOORE W. J. PHYSICAL CHEMISTRY. ED. PRENTICE HALL. 18. TANNER R. J. ENGINEERING RHEOLOGY. OXFORD SCIENCE PUBLICATIONS. ED. CLARENOON PRESS. 19. CHANG R. FISICOQUÍMICA CON APLICACIONES A SISTEMAS BIOLÓGICOS. ED. CECSA. 20. AGUILAR G. ADSORCIÓN T CATÁLISIS. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA. 21. GUERASIMOV Y. A.. ET. AL. CURSO DE FISICOQUÍMICA, TOMO LLL. ED. MIR. 23. RABOCKAI T. FISICOQUÍMICA DE SUPERFICIES. SECRETARÍA GENERAL DE ORGANISMOS DE ESTADOS AMERICANOS.

17 10.- PRÁCTICAS PROPUESTAS. Determinación de actividad del agua por: - Método de celdas de proximidad en equilibrio. - Método higrométrico. Determinación de isotermas de adsorción un producto biológico. Identificación de tipos de emulsiones. - Por el método de colorantes. - Por dilución. - Otros. Variables que afectan la estabilidad de emulsiones. - Efecto de emulsificantes. Variables que afectan la estabilidad de espumas. Variables que afectan la estabilidad de geles. - Gelificacion. - Sinéresis. La Academia deberá desarrollar este punto utilizando la metodología para la elaboración de guías prácticas diseñada para tal efecto.