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1 GUÍA DOCENTE Química Física Curso 2008-2009 Pedro Viruela Martín Departamento de Química Física Universitat de València 2 I.- DATOS INICIALES DE IDENTIFICACIÓN Nombre de la asignatura: Química Física Carácter: Troncal Titulación: Licenciado en Química Ciclo: Primer ciclo Departamento: Química Física Profesor responsable: Pedro Viruela Martín Despacho: 0.10.4 Edificio Institutos Paterna/ICMOL e-mail: Pedro.M.Viruela@uv.es Tlf: 96 3544437 II.- INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURA La asignatura Química Física es una asignatura TRONCAL que se imparte en el tercer curso de la Licenciatura en Química durante el primer y segundo cuatrimestre. En el plan de estudios actualmente en vigor consta de un total de 9 créditos. Con esta asignatura se pretende, esencialmente, que el alumno adquiera conocimientos básicos de dos partes fundamentales de la Química-Física, como son la Química Cuántica y la Espectroscopia. La Química Cuántica consiste en la aplicación de la Mecánica Cuántica al estudio de la estructura atómica y molecular. La Espectroscopia se puede definir como el estudio de los diferentes tipos de interacción de la radiación electromagnética con la materia y utiliza principalmente conocimientos de Química Cuántica. Ambas materias son cada vez más interdisciplinares, ya que se usan comunmente en otras ramas de la Química. Por lo tanto, con esta asignatura se establecerán los bases necesarias para que el estudiante pueda abordar posteriormente con éxito el estudio de diferentes partes de la Química y de la propia Química Física, que utilizan habitualmente estos conocimientos previos. III.- VOLUMEN DE TRABAJO Para el cálculo del mismo se ha tomado como referencia un máximo de 30 semanas de clase en los dos cuatrimestres. La distribución prevista del trabajo es la siguiente: Asistencia a clases teóricas: 1,25 hora/semana x 28 semanas/curso = 35 horas/curso. Asistencia a clases prácticas de problemas: 1,25 hora/semana x 28 semanas/curso = 35 horas/curso 3 Preparación de trabajos interdisciplinares y/o propios: 1 trabajos = 10 horas/curso Estudio teórico-práctico de la asignatura: 4 horas/sem x 28 semanas = 112 horas/curso. Estudio para preparación de exámenes: 16 horas/ examen x 2 examen/curso= 32 h/curso Realización de exámenes: 5 horas/examen x 2 exámenes = 10 horas/curso. Asistencia a tutorías: 10 horas/curso. Asistencia a seminarios y visitas a empresas: 10 horas/curso. En síntesis: ACTIVIDAD Horas/curso ASISTENCIA A CLASES TEÓRICAS 35 ASISTENCIA A CLASES PRÁCTICAS 35 PREPARACIÓN DE TRABAJOS Interdisciplanares y/o propios 10 ESTUDIO TEÓRICO PRÁCTICO 112 ESTUDIO PREPARACIÓN DE EXÁMENES 32 REALIZACIÓN DE EXÁMENES 10 ASISTENCIA A TUTORÍAS 10 ASISTENCIA A SEMINARIOS y VISITAS 10 Total volumen de trabajo 254 Total créditos ECTS 9 Nº de horas por crédito 28,2 IV.- OBJETIVOS GENERALES • Dar los fundamentos básicos necesarios para la compresión de la Química Cuántica y Espectroscopia. Se pretende que todos los alumnos conozcan los conceptos y principios esenciales de estas dos partes de la Química Física que analizan desde un punto de vista microscópico la estructura de la materia, en particular, la estructura atómica y molecular. Al mismo tiempo, se intenta fundamentar conceptualmente los conocimientos del estudiante, sobre todo los de estructura atómica y enlace adquiridos en el módulo de Enlace Químico y Estructura de la Materia. 4 • Sentar bases sólidas para que los alumnos puedan continuar con éxito el aprendizaje en asignaturas posteriores y en las distintas ramas de la Química Física. Se pretende que los alumnos profundicen o se inicien en el conocimiento de partes fundamentales de la disciplina como son la estructura atómica, el enlace químico, y las espectroscopias de microondas, infrarroja, electrónica, y de resonancia magnética nuclear. • Lograr que el alumno adquiera los conocimientos básicos utilizados por otras ramas de la Química, principalmente Q. Orgánica e Inorgánica, expresando las ideas con la precisión requerida en el ámbito científico y siendo capaz de establecer relaciones entre los distintos conceptos. Asimismo, se pretende que conozca las convenciones y maneje correctamente las unidades. • Desarrollar en el alumno su capacidad para plantear y resolver problemas conceptuales y numéricos en Química Física, así como para interpretar los resultados obtenidos. • Conseguir que el alumno sea capaz de buscar y seleccionar información en el ámbito de la Química Física y que sea capaz de presentarla adecuadamente, tanto de modo oral como escrito. • Potenciar las habilidades del alumno para el trabajo en equipo. • Suscitar y fomentar en el alumno aquellos valores y actitudes que deben ser inherentes a la actividad científica. V.- CONTENIDOS MÍNIMOS Para superar la asignatura, hay una serie de contenidos mínimos que es imprescindible adquirir: • Significado de los términos operador, conmutador, ecuación de valores propios, valor propio y función propia. • Descripción del estado de un sistema mediante una función matemática o función de estado (1º Postulado). • Relación entre operadores y observables. • Significado de valor promedio o esperado de un observable y su cálculo para una función de estado. • Principio de incertidumbre de Heisemberg y justificación en términos del conmutador de dos operadores y su relación con la medida simultánea de varias propiedades. • Planteamiento y resolución de la ecuación de Schrödinger para una partícula en un recinto unidimensional. • Planteamiento y resolución de la ecuación de Schrödinger para una partícula en un recinto bi- o tridimensional y utilizar la técnica de separación de variables para encontrar sus soluciones. • Significado de degeneración y la diferencia entre estado y nivel de energía. 5 • Planteamiento y resolución de la ecuación de Schrödinger para un oscilador armónico • Planteamiento y resolución de la ecuación valores propios para el momento angular. Movimiento de rotación de un rotor diatómico. • Planteamiento y resolución de la la ecuación de Schrödinger para el átomo de hidrógeno, demostrando que puede separarse en ecuaciones radial y angular. • Significado de un orbital atómico y sus diferentes representaciones. • Significado de espín y propiedades de espín de un electrón. • Planteamiento del Hamiltoniano de un átomo polielectrónico e imposibilidad de resolver exactamente la ecuacion de Schrödinger para sistemas polielectrónicos. Utilización de métodos aproximados: Método de variaciones. • Planteamiento de la ecuación de Schrödinger para el átomo de Helio y su resolución a diversos niveles de aproximación. • Establecimiento del principio de antisimetría para sistemas con partículas idénticas. Atomo de Helio y Litio. • Método del campo autoconsistente (SCF-HF) para átomos polielectrónicos. • Planteamiento del operador Hamiltoniano para una molécula poliatómica. • Aproximación de Born-Oppenheimer. • Conocer los resultados de la resolución de la ec. de Schrödinger para la molécula ión de hidrógeno. Describir los conceptos de orbital molecular (OM) y espín orbital molecular, y la aplicación del método de combinación lineal de orbitales atómicos (CLOA) a la molécula ión de hidrógeno. • Describir para la molécula de hidrógeno la aplicación del método OM-CLOA y los resultados obtenidos. • Descripción de la estructura electrónica de moléculas diatómicas, enfoques cualitativo y SCF-HF. • Descripción de la aproximación π-electrónica y aplicar el método de Hückel a sistemas conjugados. • Características básicas del fenómeno espectroscópico y de las espectroscopias de absorción y emisión. • Descripción de la interacción radiación-materia y las condiciones que deben cumplirse para que una transiciónentre dos estados esté permitida. • Formulación de las reglas de selección genéricas • Descripción de los diferentes factores de los que depende la intensidad y la anchura de una señal espectroscópica. • Medida experimental de la intensidad de una señal. • Aspectos generales de la acción Láser. • Separación de los diferentes tipos de movimiento nuclear. • Principales características de la espectroscopia rotacional de rotores diatómicos y lineales • Principales características de la espectroscopia vibracional pura de moléculas diatómicas. • Descripción del espectro de rotación-vibración de una molécula diatómica. • Características del movimiento vibracional de una molécula poliatómica. Modos normales de vibración. Características de la espectroscopía IR. • Características de la Espectroscopía Raman rotacional y vibracional. 6 • Interpretación cuántica de un espectro electrónico para una molécula diatómica. Análisis de su estructura vibracional. Reglas de selección. • Análisis simple de un espectro electrónico, tipos de transiciones: grupos cromóforos. • Características principales de los espectros de fluorescencia y fosforescencia. • Propiedades del espín nuclear y su interacción con un campo magnético. • Descripción de la técnica de la resonancia magnética nuclear. • Significado de constante de apantallamiento y el desplazamiento químico. • Origen y el efecto del acoplamiento espín-espín • Formulación de la condición de resonancia en la resonancia de espín electrónico. • Origen de la estructura hiperfina en un espectro RSE. VI.- DESTREZAS A ADQUIRIR En este curso los estudiantes deberán adquirir las capacidades y destrezas que corresponden a la comprensión y dominio de los contenidos mínimos, en particular: • Describir el estado del sistema por la función de onda y extracción de la información de esta función, mediante la aplicación de los diferentes postulados de la Química Cuántica. • Formular el principio de indeterminación y su relación con la medida simultánea de varias propiedades. Validez del concepto de trayectoria. • Resolver la ecuación de estado para una partícula en caja unidimensional y en un recinto bi- y tridimensional. • Utilizar la técnica de separación de variables. • Conocer el significado del término generación y la diferencia entre estado y nivel de energía. • Resolver esquemáticamente la ecuación de Schrödinger para el oscilador armónico, obteniendo la expresión para los niveles de energía vibracionales. • Resolución simple del problema del momento angular orbital, determinando los valores posibles para la medida simultánea del módulo del momento angular y su proyección sobre un eje. • Resolver el sistema conocido como rotor rígido, obteniendo los niveles de energía rotacionales de una molécula diatómica. • Resolución esquemática de la ec. de Schrödinger para el átomo de hidrógeno. Niveles de energia y orbitales hidrogenoides. • Conocer el significado de orbital atómico y sus diferentes representaciones. • Conocer las propiedades del momento angular de espín de un electrón. • Plantear la resolución de la ecuación de Schrödinger para átomos polielectrónicos y explicar la imposibilidad de su resolución exacta. Utilización de métodos aproximados: método Variacional. • Conocer las diferentes soluciones obtenidas para el átomo de Helio. • Formular correctamente el principio de antisimetría y el principio de exclusión de Pauli. 7 • Descripción simple del metodo SCF para átomos polielectrónicos. • Describir la aproximación de Born-Oppenheimer y el concepto de superficie de energía potencial. • Conocer las propiedades de las soluciones exactas de la molécula ión de hidrógeno y del método aproximado OM-CLOA. • Describir para la molécula de hidrógeno la aplicación del método OM-CLOA. • Conocer para las moléculas diatómicas la teoría cualitativa de OM y la formulación HF-SCF de la estructura electrónica de éstas moléculas. Extensión a sistemas poliatómicos. • Aplicar el método de Hückel a sistemas conjugados y aromáticos. • Describir correctamente el fenómeno espectroscópico y los diferentes tipos de espectroscopia. • Conocer las aproximaciones clásica y semiclásica de la interacción radiación materia. • Formular las reglas de selección genéricas para una transición entre estados. • Relacionar la intensidad de una señal con la población de los niveles de energía y la probabilidad de la transición. • Conocer lo que es la acción Láser y los diferentes tipos de láseres. • Formular los niveles de energía de rotación de un rotor diatómico y lineal, obtención de las reglas de selección específicas y forma del espectro rotacional puro. • Conocer para una molécula diatómica, los niveles de energia vibracionales en la aproximación armónica y anarmónica, asi como la regla de de selección para una transición vibracional pura. Efecto de la anarmonicidad en las transiciones. • Explicar las características de los espectros de rotación-vibración de moléculas diatómicas y deducir expresiones para las ramas P,Q, y R del espectro. • Conocer las principales propiedades del movimiento vibracional de una molécula poliatómica: modos normales de vibración. Formular las reglas de selección específicas para la espectroscopia de infrarrojos. Análisis simple del espectro vibracional de una molécula poliatómica. • Analizar el espectro electrónico de una molécula diatómica. • Describir el espectro electrónico de una molécula poliatómica utilizando el concepto de grupo cromóforo. • Describir las principales propiedades de los espectros de fluorescencia y fosforescencia. • Plantear el fenómeno de la resonancia magnética nuclear y describir la técnica correspondiente. • Describir los conceptos de apantallamiento y desplazamiento químico. Escala δ • Formular el origen y el efecto del acoplamiento espín-espín. • Describir las características principales de la técnica de resonancia de espín electrónico. 8 VII.- Capacidades Procidimentales • Capacidad para trabajar en grupo a la hora de enfrentarse a situaciones problemáticas de forma colectiva. • Habilidad para argumentar desde criterios racionales. • Capacidad para realizar una exposición oral de forma clara y coherente. • Capacidad de construir un texto escrito comprensible y organizado. • Capacidad para obtener la información adecuada con la que poder afrontar nuevos problemas científicos que se le planteen. VIII.- TEMARIO Y PLANIFICACIÓN TEMPORAL Tema Título y contenido Semanas 1 Tema 1. Conceptos básicos. Principios de la Mecánica Cuántica Introducción: fracasos de la Física clásica. Dualidad onda-corpúsculo. Ecuación de Schrödinger. Conceptos matemáticos. Postulados de la Mecánica Cuántica. Estados estacionarios. Principio de incertidumbre. 4 2 Tema 2. Sistemas modelo Introducción. Partícula en un recinto unidimensional. Partícula en un recinto tridimensional.Técnica de separación de variables. Barreras finitas y efecto túnel. Movimiento vibracional: Oscilador armónico. 2 3 Tema 3. Atomo de hidrógeno Introducción. Sistemas de campo central. Momento angular orbital. Rotor rígido. Atomo de Hidrógeno: Planteamiento de la solución formal de la ec. de Schrödinger para el átomo de Hidrógeno. Orbitales hidrogenoides: representación y niveles de energía. Momento angular de espín. 4 4 Tema 4. Atomos polielectrónicos Introducción. Métodos aproximados. Atomo de Helio. Principio de antisimetría. Atomos polielectrónicos. Orbitales autoconsistentes (SCF). Estados electrónicos. 3 5 Tema 5. Estructura molecular Introducción. Aproximación de Born-Oppenheimer. La molécula ión de hidrógeno (método OM-CLOA). La molécula de hidrógeno. Moleculas diatómicas homo- y heteronucleares (TOM simplificada y SCF). Moléculas poliatómicas. Sistemas π-electrónicos. Estructura electrónica y reactividad. 3 6 Tema 6. Fundamentos de EspectroscopíaLa radiación electromagnética. Espectroscopía y estructura molecular: interpretación cuántica del fenómeno espectroscópico. Regiones del espectro electromagnético: tipos de espectros. Interacción radiación materia aproximación clásica y semiclásica. Población de los niveles y distribución de Boltzmann. La señal espectroscópica: posición, intensidad y anchura. Emisión láser. Ley de Lambert-Beer: relación entre magnitudes experimentales y teóricas. 2,5 7 Tema 7. Espectroscopías de Rotación y Vibración Introducción: espectroscopías de movimiento nuclear colectivo. Separación de 4 9 los movimientos nucleares. Niveles de energía rotacionales de una molécula diatómica y lineal. Espectros de rotación pura. Espectroscopía de microondas. Niveles de energía vibracionales. Espectros de vibración de moléculas diatómicas. Espectros de rotación-vibración: obtención de datos estructurales. Espectros de vibración de moléculas poliatómicas: modos normales de vibración. Espectroscopía IR. Espectroscopía Raman. 8 Tema 8. Espectroscopía Electrónica Interpretación cuántica de los espectros electrónicos: moléculas diatómicas. Estructura vibracional: principio de Franck-Condon. Reglas de selección. Tipos de transiciones: grupos cromóforos. Fluorescencia y fosforescencia. Espectroscopia Fotoelectrónica. 1,5 9 Tema 9. Espectroscopías de Resonancia Espín y campo magnético. Resonancia magnética nuclear: interpretación del fenómeno. Obtención de la señal RMN. Desplazamiento químico. Estructura fina: acoplamiento espín-espín. Sistemas dinámicos: procesos de intercambio. Resonancia de espín electrónico. Estructura hiperfina de los espectros RSE. 4 IX.- BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA ∗ Textos de Química Física: T. Engel y y P. Reid. “Química Física”, 1ª ed. Pearson Education S.A., Madrid, 2006. P.W. Atkins “Fisicoquímica”, 3ª ed. (trad. 3ª ed. inglesa, 1986), Addison-Wesley Iberoamericana, 1991. “Química Física”, 6ª ed. Ed. Omega, 1999. I.N. Levine “Fisicoquímica”, 3ª ed. (trad. 3ª ed. inglesa), McGraw-Hill, 1991. “Fisicoquímica”, 4ª ed. (trad. 4ª ed. inglesa), McGraw-Hill, 1996. M. Díaz Peña y A. Roig Muntaner “Química Física”, Alhambra, 1972, Vol. 1. “Química Física Vols I y II”, Ed. Ariel, 2002. Editores: J. Bertrán Rusca y J. Nuñez Delgado. ∗ Textos de Química Cuántica M.W. Hanna “Mecánica Cuántica para Químicos”, Fondo Educativo Interamericano, 1985. Joan Bertran y col. “Química Cuántica: Fundamentos y aplicaciones computacionales” Sintesis, Madrid, 2000. Cruz, Chamizo y Garritz. “ Estructura atómica: un enfoque químico”, F. Educativo Interamericano, 1986. I.N. Levine “Química Cuantica”, AC, Madrid, 1986. “Química Cuantica”, 5ª ed., Prentice Hall, 2001. 10 ∗ Textos de Espectroscopia • J. Planelles, I. Clemente y J. Gabriel “Espectroscòpia”, Publicacions de la Universitat Jaume I, 2002. A. Requena y J.Zúñiga “Espectroscopia”, Pearson Prentice Hall, 2003. C.N. Banwell y E.M. McCash “Fundamentals of Molecular Spectroscopy”, 4ª ed., McGraw-Hill, 1994. J.M. Hollas “Modern Spectroscopy”, 2ª ed., John Wiley & Sons, 1992. G.M. Barrow “Introduction to Molecular Spectroscopy”, McGraw-Hill, 1962. I.N. Levine “Espectroscopía Molecular”, AC, 1980. X.- CONOCIMIENTOS PREVIOS A fin de poder abordar con éxito la asignatura, es imprescindible que el estudiante posea una serie de conocimientos previos, de acuerdo con el nivel exigido en los cursos. Dichos conocimientos comprenden: . • Conocimientos básicos de Física y Electromagnetismo. • Conceptos básicos de estructura atómica y molecular. • Conceptos básicos de Matemáticas, como manejo de logaritmos y exponenciales, números complejos, cálculo de derivadas e integrales sencillas, etc • Conocimientos básicos de informática (Excel, Kaleidagraph, …) 11 XI.- METODOLOGÍA El desarrollo de la asignatura se estructura en torno a cuatro ejes: las sesiones de teoría, las de problemas, las tutorías y la presentación de un trabajo. Clases Teóricas: el alumno asistirá aproximadamente a una sesión por semana en la que se le ofrecerá una visión global del tema tratado y se incidirá en aquellos conceptos clave para la comprensión del mismo. Asimismo, se le indicará aquellos recursos más recomendables para la preparación posterior del tema en profundidad. Clases de problemas: Estas clases (una por semana) se desarrollarán siguiendo dos estrategias diferentes. En unas sesiones se le explicará al alumno una serie de problemas-tipo gracias a los cuales aprenda a identificar los elementos esenciales del planteamiento y la resolución de los problemas de este tema. En ellas el protagonismo recaerá básicamente en el profesor, el cual hará la exposición al grupo entero. En otras sesiones, en cambio, el protagonismo pasará por completo a manos del alumno, ya que será él mismo quien se tendrá que enfrentar con problemas análogos y de mayor complejidad. Los alumnos se distribuirán en grupos de 4-5 y el profesor se encargará de guiarlos y ayudarlos en todo momento. Una vez concluido el trabajo, los problemas serán corregidos y analizados por los mismos alumnos en la pizarra. Tutorías: Los alumnos acudirán a ellas en grupos de seis-ocho, y serán aproximadamente, de una hora cada dos semanas. En ellas, el profesor orientará al alumno sobre todos los elementos que conforman el proceso de aprendizaje, tanto en lo que se refiere a planteamientos de carácter global como a cuestiones concretas. Asimismo, el alumno recibirá en ellas una lista cuestiones adicionales que le servirán para reforzar sus conocimientos y ejercitarse en cada uno de los aspectos tratados en las sesiones de clase Trabajos: Se realizará un trabajo escrito propuesto por el profesor. El trabajo será propio del módulo. Dicho trabajo se elaborará en individualmente o por parejas. Este trabajo sirve para la evaluación de las dos últimas capacidades procedimentales. Seminarios: Se incentivará la asistencia a Seminarios y conferencias dadas por profesores de reconocido prestigio. Visitas: Se realizaran una o dos visitas a empresas químicas, previa realización de de un seminario basado en contenidos relacionados con las empresas a visitar. Los alumnos deben realizar un informe sobre la visita realizada. 12 XII.- EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE La evaluación del aprendizaje de los alumnos se llevará a cabo en cuatro estadios diferentes: en primer lugar, se llevará a cabo una evaluación continua de los progresos y del trabajo desarrollado a lo largo del curso, la cual se basará, en gran medida, en las cuestiones y problemas entregados a los alumnos en las tutorías. La nota obtenida en este apartado constituirá un 20% de la nota final. Un 10% adicional se obtendrá mediante la realización y la presentación de los trabajos. Un 70% de la nota global se obtendrá a partir de la evaluación de los conocimientos adquiridos, por medio de la realización de dos exámenes, correspondientes a las materias de Q. Cuántica (Temas 1-5) y Espectroscopia, (Temas 6-9), respectivamente. Asimismo, se pueden realizar 2 pruebas escritas previas a estos exámenes, para autoevaluación del alumno. Estas pruebas escritas previas no son eliminatorias de materia, pero tendrán un porcentaje del 15% en la nota correspondiente del examen Parcial. Los dos exámenes se realizarán, si es posible, en las fechas establecidas para ellos por la Facultad de Química, y cada uno tendrá un valor del 50% en la nota correspondiente al apartado de exámenes. El primer examen permitirá, en caso de ser aprobado, eliminar materia. En caso contrario, en el segundo examen se deberán examinar de toda la materia. Dichos exámenes se compondrán de una primera parte de cuestiones dedicadas a poner de manifiesto la comprensión de los conocimientos considerados como básicos yuna segunda parte que incluya la resolución de dos o tres problemas. En los respectivos exámenes parciales, la nota mínima, para poder hacer media, en las Partes de Teoría y Problemas, ha de ser mayor o igual a 3. Para eliminar materia en los exámenes parciales, la NOTA mínima global ha ser mayor o igual a 4.
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