UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO HUMACAO DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

Prontuario del curso de laboratorio de Química Física II

Química 4052

Ileana Nieves Martínez enero 2013 1

TABLA DE CONTENIDO Prontuario Laboratorio de Química Física II

Tópico

Página

Información general

1

Justificación del curso

1

Descripción General

1

Objetivos generales

2

Objetivos Específicos

2

Cinética Química

2

Bromación de Acetona, Hidrólisis ácida y alcalina, Catálisis enzimática, Inversión de Sacarosa, Reacciones paralelas

Mecánica Cuántica

3

Partícula en la Caja y Serie de Balmer

Estrategias o métodos de instrucción

4

Ayuda al estudiante y Recursos de aprendizaje

5

Criterios de Evaluación

5

Normas para el curso

6

Bosquejo del contenido y distribución del tiempo

8

Acomodo Razonable para estudiantes con impedimentos

8

Bibliografía

9

Toda esta información puede encontrarla en el portal del curso de Química Física II en la dirección: http://www.uprh.edu/inieves/QUIM-4052.htm -i2

PRONTUARIO DE LABORATORIO DE QUÍMICA FÍSICA II QUIM 4052 Antonio Alegría Gandía, Carmelo García Ruiz e Ileana Nieves Martínez Revisado enero de 2007

Toda esta información está disponible en el portal del curso de Química Física I y II en la dirección: http://www.uprh.edu/~inieves/QUIM-4052.htm

I.

CURSO: LABORATORIO DE QUÍMICA FÍSICA II

II.

CODIFICACIÓN: QUIM 4052

III.

PRE-REQUISITOS Es un laboratorio de Química Física complementario al Curso de Química 4042, el cual tiene como pre-requisito los cursos de QUIM 4051 (Laboratorio de Química Física I), QUIM 4041 (Química Física I), MATE 3062 (Cálculo II), QUIM 3025 y 3026 (Química Analítica, conferencia y laboratorio); como co-requisito QUIM 4042 (Química Física II).

IV.

NÚMERO DE CRÉDITOS PARA EL ESTUDIANTE Consiste de dos (2) horas crédito.

V.

NÚMERO DE CRÉDITOS EQUIVALENTES PARA EL PROFESOR Consiste de un (1) semestre de cuatro (4) horas crédito. Otra hora adicional semanal se requiere para discusión de la teoría correspondiente a las prácticas que se llevan a cabo.

VI.

DURACIÓN DEL CURSO Un semestre.

VII.

DESCRIPCIÓN El material comprende las áreas de cinética y modelos de la mecánica cuántica con experimentos de cinética química, cinética molecular y mecánica cuántica y espectroscopia. Se discuten la teoría y los métodos correspondientes a cada experimento. El contenido de este laboratorio comprende prácticas relacionadas con material de discusión en el curso de conferencia, QUIM 4042.

VIII. JUSTIFICACIÓN DEL CURSO El curso de Laboratorio de Química-Física es un elemento esencial en el currículo de Química, ya que es la conexión principal entre la Química Aplicada y la Ingeniería. Entender los principios básicos de la Química-Física es vital para la dilucidación de los problemas relacionados con los sistemas biológicos, ecológicos e industriales en general. El papel principal del laboratorio de Química-Física es presentar argumentos cuantitativos fundamentales para establecer, interpretar y extender las técnicas industriales y de investigación de la Química. También brinda al estudiante la comprensión profunda que sirve como enlace entre la “Química Académica” (Química Pura) y la Química Industrial (Química Aplicada). Esta comprensión básica es necesaria para tomar decisiones correctas racionales sobre procesos de manufactura. 1

PRONTUARIO QUÍMICA FÍSICA II -LABORATORIO (QUIM 4052)

En resumen, la Química-Física es un tema central para la práctica de la profesión del químico o la química en la medida en que inter-relaciona varios aspectos de la Química, la Física, la Matemática y la Ingeniería Química. IX.

OBJETIVOS GENERALES DEL CURSO El estudiante o la estudiante debe adquirir la capacidad de:

X.

A.

complementar el curso de Química-Física de conferencias, mediante las prácticas experimentales de algunos de los temas discutidos en clase para así adquirir una noción sensorial relacionada con ellos.

B.

observar y comprender las limitaciones físicas de las formulaciones y determinaciones de los parámetros químico-físicos. Para lograr esto, el estudiante analizará las causas de error en sus prácticas y deberá, a instancias del instructor, desarrollar un tratamiento de error en estas prácticas.

C.

desarrollar destrezas en las técnicas fundamentales de laboratorio de Química-Física. Estas destrezas se demostrarán por el trabajo diario en el laboratorio.

D.

desarrollar destrezas básicas en el uso de algunos instrumentos utilizados frecuentemente en Química.

E.

desarrollar actitudes de trabajo en equipo. Estas se demostrarán en la planificación previa al laboratorio, de forma tal que el experimento pueda ser terminado a tiempo y rendir los informes de acuerdo al itinerario en cada práctica.

F.

redactar informes científicos mediante la entrega al instructor de informes relacionados con los experimentos de laboratorio.

G.

familiarizarse con el uso de la computadora para hacer los cálculos pertinentes al experimento que se realiza.

H.

familiarizarse con el análisis estadístico de datos para discernir entre datos confiables o datos que se pueden descartar. Además aplicará el buen uso de cifras significativas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS (QUIM 4052) A.

Bromación de acetona, hidrólisis de acetato de metilo, catálisis enzimática, inversión de sacarosa, rapidez de formación de un diol, reacciones paralelas y consecutivas, reacción de reloj 1. Conocimiento de los siguientes conceptos: a. tiempo de vida media e. complejo activado b. reacción elemental f. reacción de cadena c. energía de activación g. constante de Michaelis d. factor de frecuencia 2. 3. 4.

Discutir la relación entre la estequiometría, el mecanismo y la Ley de Rapidez de una reacción. Describir el método experimental que se utiliza para estudiar la rapidez de reacciones relativamente lentas. Escribir la Ley de Rapidez (ecuación diferencial) y partiendo de ésta, desarrollar la ecuación de rapidez integrada para la reacción aA + bB º productos, si la reacción es:

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a. b. c. d.

5.

6. 7.

8.

9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. B.

de primer orden de cero orden de segundo orden con respecto de un sólo reactivo: -d[A]/dt = k[A]2 de primer orden con respecto de A y de B, si a y b son igual y las concentraciones iniciales de A y B son igual: -d[A]/dt = k[A][B] = k[A]2 Dados los datos cinéticos de una reacción (concentración o una propiedad física vs. tiempo), establecer el orden de la reacción por cualquiera de los siguientes métodos: a. sustitución de fórmulas b. gráfico Dados los datos cinéticos de una reacción, calcular la constante de rapidez y el tiempo de vida media. Utilizar el método gráfico para calcular la constante de rapidez de la reacción: a A + bB º productos, si d(A)/dt = k[A][B] y las concentraciones iniciales A y B son diferentes. Utilizar la ecuación de rapidez integrada de una reacción para calcular la concentración de un reactivo o de un producto presente a un tiempo determinado, o viceversa. Describir y aplicar el método de rapidez inicial para determinar la Ley de Rapidez de una reacción. Dadas las constantes de rapidez de una reacción a varias temperaturas, calcular la energía de activación de la reacción por el método gráfico. Utilizar la ecuación de Arrhenius para calcular la energía de activación, la constante de velocidad o la temperatura a la cual ocurre una reacción. SeZalar las diferentes en la cinética de las reacciones gaseosas y las reacciones en fases líquidas. Discutir cómo los catalíticos pueden alterar la rapidez de las reacciones. Describir las características de la catálisis enzimática. Discutir los factores que afectan la rapidez de las reacciones heterogéneas.

Partícula en la caja, Serie de Balmer 1. Describir la naturaleza de una onda electromagnética. 2. Establecer la relación entre la energía y la frecuencia, el número de onda y la longitud de onda del fotón y resolver problemas que envuelvan estas relaciones. 3. Discutir cómo la mecánica cuántica permite explicar las divergencias del fenómeno de los espectros de líneas de átomos con la mecánica clásica a. radiación de un cuerpo negro b. efecto fotoeléctrico c. espectros de líneas de los átomos 4. Explicar la importancia de la fórmula de Balmer en el desarrollo de la teoría cuántica y en la espectroscopía. 5. Describir el modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno y señalar cómo éste es capaz de explicar el origen de: a. las series de Lyman, Balmer, etc. b. el espectro continuo 6. Determinar la constante de Reydberg para Deuterio e hidrógeno. 7. Dados un operador y una función, determinar si ésta es auto-función del operador, y si lo es, determinar cuál es el autovalor. 8. Señalar las cuatro (4) condiciones necesarias para que una solución de la ecuación de Schrödinger (Ψ) sea físicamente razonable. 9. Explicar cuáles propiedades de un sistema están descritas por la función de onda de la partícula en la caja. 10. Expresar matemáticamente la condición de normalización de la función de onda. 11. Relacionar el significado de la función de onda con el Principio de Incertidumbre. 12. SeZalar la aplicación en la Química de los siguientes modelos: a. partícula de una caja b. átomo de Bohr

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13. 14.

15. 16.

XI.

Describir en qué consiste el modelo de la partícula en una caja y establecer cuáles son las condiciones de frontera. Dada la solución de la ecuación de Schrödinger para la partícula en una caja, Ψ = A sin cx + B cos cx, demostrar que: a. ésta es la solución b. la constante B = 0 c. la constante c = π/a. donde n = 1, 2, 3, ...... d. la energía de la partícula está dada por En = n2h2/8 ma2 e. la constante de normalización A = (2/a)½ Calcular los niveles de energía para la partícula en una caja, dada la longitud de la caja o la longitud de enlaces de un tinte conjugado. Determinar el factor de penetración usando valores experimentales de tintes conjugados de cadenas largas.

ESTRATEGIAS O MÉTODOS DE INSTRUCCIÓN A.

Distribución del trabajo El trabajo en el laboratorio se realizará en equipo o grupos. El(la) instructor(a) quedará a cargo de suplementar, por escrito, información adicional relacionada con cualquier modificación que se le haga a algunas de estas prácticas del manual, así como cualquier otra práctica que no aparezca en este manual. Cada grupo hará una práctica diferente en cada sección de laboratorio debido a que cada experimento utiliza instrumentación distinta. El estudiante o la estudiante debe preparase previo a la sección de laboratorio en términos del procedimiento, instrumentación y la teoría mínima necesaria para comprender la práctica del día.

B.

Informes El estudiante tendrá dos (2) semanas de plazo para entregar el informe correspondiente al experimento que finalizó.

C.

Libreta de laboratorio Llevar una libreta de laboratorio organizada que deberá contener la información de cada una de las prácticas usando siempre el mismo formato para mantener uniformidad. Las secciones que debe incluir se enumeran en la sección de Normas de este prontuario.

D.

Automatización y Cálculos en la computadora Muchos de los experimentos han sido automatizados para recopilar los datos. La mayoría de ellos contienen cálculos tediosos que pueden consumir gran parte del tiempo en la preparación de informes. Con el uso de computadoras, el tiempo que se recobre puede utilizarse en un mejor análisis y en una mejor discusión de los resultados obtenidos. También, es posible obtener más información de la que normalmente se pide cuando no se dispone de una computadora. Se recomienda, por lo tanto, el uso de la computadora para hacer los cálculos. Se requerirá el original de los resultados impreso por el programa utilizado.

E.

Internet El internet es otra herramienta que el estudiante tiene disponible a través de la página o portal del curso de laboratorio. En la página se incluyen resúmenes del material discutido en la

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conferencia del laboratorio, copias de los procedimientos y del manual donde se discute la teoría de los experimentos. Además se incluye el itinerario de los experimentos, exámenes y de entrega de informes o cualquier otro anuncio que sea de interés. Los estudiantes pueden comunicarse a través de la red fuera de horas de clase o de oficina a través de mensajes electrónicos. XII.

AYUDA AL ESTUDIANTE Y RECURSOS DE APRENDIZAJE A.

Recursos 1. Automatización de varias prácticas de laboratorio por acoplamiento de la instrumentación a computadoras y medidas de propiedades físicas por sensores. 2. Espectrofotómetro controlados por computadora

B.

Materiales necesarios para el laboratorio: 1. Bata 2. gafas de seguridad 3. Libreta de laboratorio con capacidad de hacer duplicado de páginas 4. Calculadora gráfica o científicas 5. Centro de Cómputos en la Biblioteca General de UPRH 6. Laboratorio de computadoras de Intel (Departamento de Física) para cálculos y redacción de informes. 7. Laboratorio de computadoras del Departamento de Matemáticas

C.

Horas de oficina: Se invita a los estudiantes a visitar al profesor o profesora durante sus horas de oficina. Puede también comunicarse a través del correo electrónico para cualquier ayuda que necesiten en relación al curso de laboratorio.

XIII. CRITERIOS DE EVALUACIÓN Y SISTEMA DE CALIFICACIÓN A.

Distribución de la nota El peso de cada aspecto en la evaluación será como sigue: Destrezas, desempeño en el trabajo diario y libreta (1) Informes Evaluaciones prácticas y teóricas - Exámenes y pruebas cortas

20-25% 35-30% 45%

Tres (3) ausencias sin justificación oficial equivalen a F en el curso. Tres (3) tardanzas equivalen a una ausencia. Se utilizará la curva del Departamento. (1) Ver instrucciones en normas para el curso

XIV. NORMAS PARA EL CURSO A.

Libreta de Laboratorio Las hojas de la libreta de laboratorio deben estar enumeradas y hacerse en duplicado (utilizar papel carbón o equivalente). Una copia debe entregarse al instructor(a) al finalizar cada práctica de laboratorio. La primera página de la libreta debe incluir su nombre, número de estudiante, nombre del profesor(a), número del salón de laboratorio, horario de su sección, nombre, dirección y teléfono del familiar más cercano con quien deba comunicarse en caso de emergencia. La próxima página se reservará para el índice que debe mantener al día con el nombre de la práctica de laboratorio y la página donde está localizada. El resto de la libreta

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deberá contener la información de cada una de las prácticas usando siempre el mismo formato para mantener uniformidad. Debe empezar en una página nueva cada una de las prácticas. Se sugiere que incluya lo siguiente en su libreta: 1. Título del experimento 2. Fecha de cada sesión de laboratorio que le corresponde a esa práctica 3. Descripción breve del procedimiento que ayude a reproducirlo 4. Toda la información experimental, datos de los reactivos necesarios para cálculos** 5. Cómputos preliminares de concentración o de otra índole necesaria en la preparación previa al experimento. 6. Observaciones **

Todo (a) estudiante debe anotar los datos de cada experimento en su libreta de laboratorio en el instante que se está llevando a cabo la práctica. Su compañero (a) será responsable de las dos (2) libretas si el estudiante por dificultad de la práctica no puede anotar los datos en el momento. NO SE ACEPTARÁN datos anotados originalmente en hojas sueltas que tengan que transcribir después a su libreta.

Todo (a) estudiante debe solicitar la firma del (la) profesor (a) al finalizar cada sesión de laboratorio (siempre), aunque no haya terminado la práctica de laboratorio ese día. La firma en la libreta es la única evidencia que usted tiene de haber hecho el experimento en esa fecha. Todo (a) estudiante le entregará al (la) profesor (a) la (s) hoja (s) de datos al finalizar cada experimento. No se aceptarán si se entregan con los informes. Cada informe debe incluir una tabla de datos que no se pueden sustituir por las hojas de datos de la libreta de laboratorio. Si los datos del experimento en la libreta no concuerdan con el informe tendrá una calificación de F para esa práctica. B.

Exámenes Los exámenes parciales (dos a cuatro exámenes) se ofrecerán dentro del horario de clases. De necesitar más tiempo se programarán los viernes después de las 11:30 AM o en horario escogido por la mayoría. Los exámenes parciales incluirán los temas que le correspondan, de acuerdo al itinerario de experimentos publicado para cada grupo. Las pruebas cortas se ofrecerán durante el transcurso del semestre (avisadas o sin avisar) cuando sea necesario.

C.

Nota diaria Se evaluarán los siguientes aspectos en cada sesión de laboratorio: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

D.

preparación previa del experimento asignado preparación de la libreta de laboratorio nitidez observación de las reglas de seguridad trabajo en equipo entendimiento de la práctica de laboratorio en términos experimentales, instrumentales y teóricos tardanzas y ausencias

Informes Todos los informes tienen que entregarse durante los primeros 10 minutos de la sección de laboratorio correspondiente según el itinerario de entrega de informes. Se entregará un itinerario de experimentos y un itinerario de entrega de informes. Se descontará un 10% de la

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nota del informe si se atrasa hasta una semana en la entrega del informe. Luego de esta segunda semana, no se aceptarán ni se corregirán informes (Si la práctica termina la última semana de clases, tendrán una semana para entregar el informe). El informe es un trabajo individual. No se aceptarán informes que contengan copias fotostáticas de algún trabajo o datos del (la) compañero (a). Tampoco se aceptarán informes que contengan los mismos ejemplos de cómputos que los utilizados por el (la) compañero (a), a menos que sea estrictamente necesario usar el mismo ejemplo, o sea, en caso de que no exista otro. Solo se aceptará fotocopia del resultado de un(a) compañero(a) de grupo del impresor de un instrumento analítico. Sin embargo, el resultado impreso debe aparecer en original en uno de los informes de los compañeros. El estudiante deberá entregar las copias de su libreta de laboratorio con las iniciales del instructor al finalizar el experimento. Deberá existir una inicial por cada día que le corresponde el experimento. De faltar alguna inicial no se le aceptará el informe. No se le firmará la inicial en la libreta a un estudiante que llegue al laboratorio luego de transcurrida media hora desde el comienzo del mismo. Los datos que se encuentren en las páginas de su libreta deben traerse al cuerpo de su informe en forma de tablas. No se puede hacer alusión a los datos en las páginas de la libreta. Todo dato en el informe debe coincidir con los datos de las hojas de copias con las iniciales del instructor. El estudiante debe enumerar y rotular cada gráfica y tabla. Se evalúa la sintaxis y la ortografía, así como la utilización de los conceptos químico-físicos. E.

Asistencia Todo (a) estudiante que se ausente tres (3) veces al laboratorio sin excusa médica recibirá F en el curso. A todo (a) estudiante que llegue 15 minutos después de la hora que comienza el laboratorio, se le registrará una tardanza. Tres (3) tardanzas equivalen a una ausencia. La ausencia de uno de los miembros de un grupo de laboratorio no será excusa para no llevar a cabo la práctica el día que le corresponde a los otros miembros del grupo. La persona ausente repondrá la práctica en común acuerdo con el profesor (a) y el informe será individual.

XV.

DISTRIBUCIÓN DE TIEMPO A.

PROGRAMA DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO Por cada curso se hace un promedio de ocho (8) experimentos. Estos se escogen de la siguiente lista y se ordenan por grupos dependiendo de su viabilidad (disponibilidad de espacio y equipo). Se ofrecen conferencias de cada tema una hora por semana hasta cubrir todos los temas. Práctica

Núm. de períodos

Organización del trabajo: Conferencia de Cinética y laboratorios

2

Inversión de sacarosa catalizada por ácido: Estudio de la cinética de reacción de la inversión de sacarosa catalizada por ácido para determinar sus parámetros cinéticos.

2

Hidrólisis de acetato de etilo: Estudio de una reacción catalizada por base por el método coductimétrico.

2

Bromación de acetona: Determinación de la Ley de Rapidez y la constante de rapidez para la bromación de acetona. por espectrofotometría.

2

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Partículas en la caja: Determinación del espectro de absorcíón visible de varios colorantes polimétricos simétricos y la interpretación de estos espectros usando el modelo del “electrón libre”.

1

Serie de Balmer: Observación del espectro de emisión del átomo de hidrógeno para calcular los números cuánticos principales envueltos en las líneas de Balmer.

1

Catálisis enzimática: Estudio de una reacción de catálisis enzimática y la determinación de los parámetros cinéticos envueltos incluyendo la constante de Michaelis.

2

Hidrólisis de Acetato de metilo: Estudio de una reacción catalizada por ácido por el método de titulaciones volumétricas.

1

Reacciones Paralelas: Determinación de la constante específica de rapidez de hidrólisis de metil-cloroformato midiendo el tiempo donde la concentración de su intermediario llega a un máximo (tm). La concentración del intermediario se mide por la absorbencia a 278 nm.

2

XVI. ACOMODO RAZONABLE PARA ESTUDIANTES CON IMPEDIMENTOS La UPR-Humacao cumple con las ley ADA (“American with Disabilities ACT”) y la ley 51 (Servicios Educativos Integrales para Personas con Impedimento) para garantizar igualdad en el acceso a la educación y servicios. Estudiantes con impedimentos: informe al (la) profesor(a) de cada curso sobe sus necesidades especiales y/o de acomodo razonable para el curso, en la tarjeta de información que llena en la primera semana de clases y visite la Oficina de Servicios para la Población con Impedimentos (SERPI) a la brevedad posible. Se garantiza confidencialidad. XVII. BIBLIOGRAFIA* A. B.

C.

Texto: Manual de Laboratorio: H. D. Crockford, J. W. Nowell, H. D. Baird, F. W. Getzen, “Laboratory Manual of Physical Chemistry”, 2da. Edición, John Wiley and Sons (1975). Suplemento: I. Nieves, C. García, G. Santiago, R. Arce, “Manual de Laboratorio de Química Física I” (2000) Referencias: 1. Shoemaker, David P., Garland, Carl W. & Nibler, Joseph W., “Experiments in Physical Chemistry”, 7a. Edición, McGraw-Hill Book Co. New York, (2002) 2. http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/#ChemicalKinetics 3. http://kinetics.nist.gov/index.php 4. Taylor, John, “An Introduction to Error Analysis. The study of Uncertainties in physical Measurments”, 2ª edición University Science Books, Sausalito, California, (1997) 5. Daniels, Williams; Bender, Alberty; Cornwell y Harriman: “Experimental Physical Chemistry”, McGraw-Hill Book Co. (1970)

* Las referencias de más de cinco aZos son clásicas para el estudio de la materia. No existen ediciones más recientes.

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CERTIFICACIÓN DE CONOCIMIENTO DEL PRONTUARIO LABORATORIO DE QUÍMICA FÍSICA II – QUIM 4052

Certifico que he obtenido copia del prontuario del curso de Laboratorio de Química Física II (QUIM 4052) de la página electrónica del curso (http://www.uprh.edu/inieves/QUIM-4052.htm)

Hoy ____________________, en el Departamento de Química - UPRH (fecha)

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© 2013 I. Nieves Martínez

___________

_________________

número de estudiante

Firma

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