Grado en Química. 2 º Curso QUIMICA FÍSICA I. Guía Docente

Transcripción

1 Grado en Química 2 º Curso QUIMICA FÍSICA I Guía Docente

2 Guía Docente 1. Datos descriptivos de la materia Carácter: Obligatoria Convocatoria: 1 er cuatrimestre Créditos: 6 ECTS (5 teórico-prácticos + 1 laboratorio) Profesorado: Saulo Vázquez RODRÍGUEZ (Coordinador) Profesor Titular del Departamento de Química Física Facultad de Química Clases expositivas, tutorías y seminarios: Grupo A Antonio Fernández Ramos Profesor Titular del Departamento de Química Física Facultad de Química Clases expositivas, tutorías y seminarios: Grupo B Emilio Martínez Núñez Profesor Titular del Departamento de Química Física Facultad de Química Clases expositivas, tutorías y seminarios: Grupo B Berta Fernández Rodríguez Profesora Catedrática del Departamento de Química Física Facultad de Química Grupo de prácticas: todos (9 grupos de prácticas) Idioma en que es impartida: Gallego, castellano 2. Situación, significado e importancia de la materia en el ámbito de la titulación 2.1. Módulo al que pertenece la materia en el Plan de Estudios. Materias con las que se relaciona Módulo de Química Física. Se relaciona fundamentalmente con las asignaturas de dicho módulo que son las asignaturas Química Física I, II, III, IV y V Papel que juega este curso en ese bloque formativo y en el conjunto del Plan de Estudios Esta asignatura es clave en el módulo de Química Física dado que es donde se sientan las bases de la Química Cuántica, que es la base del resto de las asignaturas del bloque de Química Física 2

3 y de muchas otras de otros módulos. La mecánica cuántica es la herramienta teórica que maneja la Espectroscopia, materia que se imparte en la Química Física II, en el segundo cuatrimestre del segundo curso. Desde un punto de vista más práctico los estudiantes también estudian Espectroscopía en la asignatura Análisis Estructural (Obligatoria de tercer curso), y en la optativa de cuatro curso Métodos Espectroscópicos, además de en la obligatoria de tercer curso Química Analítica III. Esta asignatura es también básica para comprender los principios de la mecánica estadística, que se imparte en la asignatura Química Física IV de tercer curso. Conocimientos previos (recomendados/obligatorios) que los estudiantes han de poseer para cursar la asignatura Se recomienda que la formación del alumno sea de perfil científico-tecnológico. Dentro de ese perfil, además de la química, resulta recomendable haber cursado materias de matemáticas, biología y física. 3. Objetivos del aprendizaje y competencias a alcanzar por el estudiante con la asignatura 3.1. Objetivos del aprendizaje Conocer los principios de la Mecánica Cuántica y su aplicación a la estructura de átomos y moléculas. Demostrar el conocimiento y comprensión de conceptos, principios y teorías relacionadas con la Química. Reconocer y analizar nuevos problemas y planear estrategias para solucionarlos Competencias Básicas y generales CG2 - Que sean capaces de reunir e interpretar datos, información y resultados relevantes, obtener conclusiones y emitir informes razonados en problemas científicos, tecnológicos o de otros ámbitos que requieran el uso de conocimientos de la Química. CG3 - Que puedan aplicar tanto los conocimientos teóricos-prácticos adquiridos como la capacidad de análisis y de abstracción en la definición y planteamiento de problemas y en la búsqueda de sus soluciones tanto en contextos académicos como profesionales. CG5 - Que sean capaces de estudiar y aprender de forma autónoma, con organización de tiempo y recursos nuevos conocimientos y técnicas en cualquier disciplina científica o tecnológica Competencias específicas (Módulo de Química Física) CE13 - Capacidad para demostrar el conocimiento y comprensión de los hechos esenciales, conceptos, principios y teorías relacionadas con las árelas de la Química. CE14 - Resolución de problemas cualitativos y cuantitativos según modelos previamente desarrollados. CE15 - Reconocer y analizar nuevos problemas y planear estrategias para solucionarlos. CE25 - Capacidad para relacionar la Química con otras disciplinas Competencias transversales CT1 - Capacidad de análisis y síntesis. CT4 - Resolución de problemas. 3

4 4. Contenidos del curso 4.1. Epígrafes del curso: Tema 1. Introducción. Tema 2. Operadores en mecánica cuántica. Tema 3. Principios de la mecánica cuántica. Tema 4. La partícula en una caja. Tema 5. Oscilador armónico y rotor rígido. Tema 6. Átomo de hidrógeno. Tema 7. Métodos aproximados en mecánica cuántica. Tema 8. Átomos polielectrónicos. Tema 9. Moléculas. Programa de prácticas de ordenador: Práctica 1. Construcción y optimización de moléculas. Estudio conformacional. Práctica 2. Espectro infrarrojo del ácido acético. Práctica 3. Potenciales electrostáticos como indicadores de acidez. Práctica 4. Búsqueda de estados de transición Bibliografía recomendada Básica (manual de referencia) Apuntes proporcionados por el profesor "Atkins Quimica Física", Atkins y de Paula, 8ª ed. Ed. Panamericana, "Atkins' Physical Chemistry", Atkins and de Paula, 8th Ed. Oxford University Press, Complementaria 4

5 TEMA 1 Introducción Este tema introduce algunos de los principios básicos de la mecánica cuántica. Primero se reseñan los resultados experimentales que contradicen los conceptos de la física clásica. El fracaso de la mecánica clásica inspiró la formulación de un nuevo conjunto de conceptos y llevó a la introducción de la mecánica cuántica. En mecánica cuántica, todas las propiedades de un sistema se expresan en términos de una función de onda que se obtiene como solución de la ecuación de Schrödinger Introducción La radiación electromagnética La radiación del cuerpo negro El efecto fotoeléctrico Los espectros atómicos El modelo de Bohr del átomo de hidrógeno Unidades atómicas y otras unidades de interés La hipótesis de de Broglie. TEMA 2 Operadores en mecánica cuántica Tema de fundamentos matemáticos necesarios para el desarrollo de la mecánica cuántica Operadores Definición Álgebra de operadores Funciones propias y valores propios Operadores y mecánica cuántica. 5

6 TEMA 3 Principios de la mecánica cuántica Los postulados de la mecánica cuántica son la base sobre la que cimienta esta teoría, aunque por su naturaleza axiomática (como los axiomas matemáticos) no se pueden demostrar, sin embargo, hasta el momento han conseguido interpretar diversos hechos experimentales sin entrar en contradicciones. Por ello, a pesar de las reservas que han mostrado diversos investigadores (entre ellos Albert Einstein) sobre ciertos aspectos de la mecánica cuántica, ésta sigue siendo la única teoría que existe hasta el momento que permite dar una interpretación cuantitativa del mundo microscópico Primer postulado: postulado de cuantificación Segundo postulado: significado de la función de onda Probabilidad y densidad de probabilidad Condición de normalización Condición de ortogonalidad. Funciones ortonormales Tercer postulado: Ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. Estados estacionarios La ecuación de Schrödinger independiente del tiempo Condiciones para que una función de onda sea aceptable Cuarto postulado: postulado de descomposición espectral Ejemplos 2.5. El principio de indeterminación de Heisenberg Tipos de coordenadas. TEMA 4 La partícula en una caja Una vez que hemos visto los postulados de la mecánica cuántica, y sabiendo que para un sistema microscópico toda la información que podemos obtener se consigue resolviendo la ecuación de Schrödinger, en este tema vamos a resolver dicha ecuación para un sistema muy sencillo, que consiste en una caja de dimensión finita que tiene dentro una partícula. 6

7 Inicialmente consideraremos una caja unidimensional, esto es, la partícula sólo se puede mover en una línea. Posteriormente analizaremos las soluciones y veremos como se cumplen los postulados de la mecánica cuántica para este sistema tan sencillo. Finalmente resolveremos la ecuación de Schrödinger para la partícula en una caja de dos y tres dimensiones Introducción 2.2. La partícula en una caja unidimensional Función de onda y energía 2.3. La partícula en cajas bidimensionales y tridimensionales La partícula en una caja bidimensional La partícula en una caja tridimensional 2.4. Aplicaciones La partícula en una caja y los sistemas conjugados La partícula en un pozo finito. El efecto túnel TEMA 5 Oscilador armónico y rotor rígido En este tema nos centraremos en los movimientos de vibración y rotación moleculares, que son de gran importancia en Química Cuántica. Aquí consideraremos que el enlace que existe entre dos átomos es similar, en al mundo macroscópico, al enlace que hay entre dos masas unidas mediante un resorte o muelle. Para la descripción de la vibración utilizaremos el modelo más sencillo que es el del oscilador armónico y analizaremos las diferencias existentes entre un oscilador clásico y un oscilador cuántico. Para el estudio del movimiento rotacional el caso más sencillo es el que considera que la molécula cuando rota no modifica su longitud de enlace, esto es, r = r 0 siendo r 0 la distancia internuclear de equilibrio. A esta aproximación se la denomina del rotor rígido. Una consecuencia de esta aproximación, es que los movimientos de vibración y de rotación son separables, puesto que molécula al rotar no modifica la longitud del enlace de la molécula y por tanto no interfiere con la vibración Introducción 2.2. El problema de dos cuerpos 2.3. El oscilador armónico clásico 2.4. El oscilador armónico cuántico 2.5. Rotación en tres dimensiones. 7

8 Los armónicos esféricos Cuantización del momento angular en tres dimensiones TEMA 6 Átomo de hidrógeno El átomo de hidrógeno también es un sistema de dos partículas, ya que está únicamente formado por un protón y un electrón. El movimiento de rotación es el único movimiento interno el sistema, con la particularidad de que el protón es casi 2000 veces más pesado que el electrón por lo que el centro de masas está prácticamente localizado en el núcleo y la masa reducida del sistema es µ H = 0,9995 me, siendo me la masa del electrón. De esto se deduce que es una buena aproximación que en la rotación del sistema de dos partículas el único que gira es el electrón y que la masa reducida del sistema es la masa del electrón. Este sistema se diferencia de la rotación de dos masas cualesquiera en que hay una separación de cargas (la carga positiva está concentrada en el núcleo y la carga negativa en los electrones) y por tanto existe un potencial de interacción entre ambas cargas denominado potencial electrostático o potencial de Coulomb Introducción 2.2. Resolución de la ecuación de Schrödinger Funciones de onda Energía Los orbitales del átomo de hidrógeno La función de distribución radial 2.5. El momento angular en el átomo de hidrógeno. 8

9 TEMA 7 Métodos aproximados en mecánica cuántica Hasta ahora hemos resuelto la ecuación de Schrödinger de forma analítica para sistemas sencillos, puesto que siempre éramos capaces de separar variables en la ecuación diferencial. Sin embargo, en la mayoría de los casos, no es posible hacer una separación de variables, y por consiguiente no es posible resolver la ecuación de Schrödinger de forma analítica. Los dos métodos que veremos en este capítulo, el método de variaciones y el método de perturbaciones, proporcionan soluciones aproximadas a la ecuación de Schrödinger, y dentro de las limitaciones de cada método, ambos se pueden mejorar sistemáticamente por lo que, en principio, nos pueden acercar a la solución exacta de la ecuación tanto como queramos Introducción 2.2. Método de variaciones 2.3. Método de perturbaciones de primer orden TEMA 8 Átomos polielectrónicos El método de variaciones explicado en el tema anterior será aplicado a la resolución (aproximada) de la ecuación de Schrödinger para átomos con más de un electrón. Se empezará explicando el caso más sencillo (átomo de helio) para realizar, posteriormente, una generalización La ecuación de Schrödinger para átomos polielectrónicos 2.2. El átomo de helio Aplicación del método de variaciones. El apantallamiento La función de onda espín-orbital El espín del electrón Funciones de onda antisimétricas. El principio de exclusión de Pauli El método de Hartree-Fock Términos y estados de átomos polielectrónicos Generación de términos. La serie de Clebsch-Gordan. 9

10 Orden de los términos. Las reglas de Hund. TEMA 9 Moléculas Se empezará el tema explicando la aproximación de Born-Oppenheimer, que se aplicará con carácter general a todos los sistemas moleculares. Luego veremos el método más utilizado actualmente para el estudio de la estructura electrónica de moléculas: teoría de orbitales moleculares. Esta teoría se aplicará a moléculas diatómicas homonucleares y heteronucleares Aproximación de Born-Oppenheimer 2.2. Teoría de orbitales moleculares La molécula H Moléculas diatómicas homonucleares Moléculas diatómicas heteronucleares 10

11 5. - INDICACIONES METODOLÓGICAS Y ATRIBUCIÓN DE CARGA ECTS 5.1. Atribución de créditos ECTS TRABAJO PRESENCIAL EN EL AULA HORAS TRABAJO PERSONAL DEL ALUMNO HORAS Clases expositivas en grupo grande Clases interactivas en grupo reducido (Seminarios) Clases interactivas con ordenador en grupo reducido 28 Estudio autónomo individual o en grupo 14 Resolución de ejercicios, u otros trabajos 12 Resolución de ejercicios, prácticas con ordenador Tutorías en grupo muy reducido 2 Preparación de presentaciones orales, escritas, elaboración de ejercicios propuestos. Actividades en biblioteca o similar Prácticas de laboratorio - Preparación del trabajo de laboratorio y elaboración de la memoria de las prácticas Total horas trabajo presencial en el aula o en el laboratorio 56 Total horas trabajo personal del alumno Actividades formativas en el aula con presencia del profesor 1) Clases expositivas en grupo grande: Lección impartida por el profesor que puede tener formatos diferentes (teoría, problemas y/o ejemplos generales, directrices generales de la materia ). El profesor puede contar con apoyo de medios audiovisuales e informáticos pero, en general, los estudiantes no necesitan manejarlos en clase. Habitualmente estas clases seguirán los contenidos de un Manual de referencia propuesto en la Guía Docente de la asignatura. La asistencia a estas clases no es obligatoria. 2) Clases interactivas en grupo reducido (seminarios): Clase teórico/práctica en la que se proponen y resuelven aplicaciones de la teoría, problemas, ejercicios El alumno participa activamente en estas clases de distintas formas: entrega de ejercicios al profesor (algunos de los propuestos en boletines de problemas que el profesor entrega a los alumnos con la suficiente antelación); resolución de ejercicios en el aula, etc. El profesor puede contar con apoyo de medios audiovisuales e informáticos pero, en general, los estudiantes no los manejarán en clase. Se incluyen las pruebas de evaluación si las hubiere. La asistencia a estas clases es obligatoria. 3) Clases interactivas con ordenador en grupo reducido: Se incluyen aquí las clases en las que el alumno utiliza el ordenador en aula de informática (clases de informática, uso de paquetes para ilustración práctica de la teoría, etc.). El alumno participa activamente en estas clases de distintas formas: entrega de ejercicios al profesor (algunos de los propuestos en boletines de problemas que el profesor entrega a los alumnos con la suficiente antelación); resolución de ejercicios en el aula, etc. Se incluyen las pruebas de evaluación si las hubiere. La asistencia a estas clases es obligatoria. 4) Tutorías de pizarra en grupo muy reducido: Tutorías programadas por el profesor y coordinadas por el Centro. En general, supondrán para cada alumno 2 horas por cuatrimestre y asignatura. Se proponen actividades como la supervisión de trabajos dirigidos, aclaración de dudas sobre teoría o las prácticas, problemas, ejercicios, lecturas u otras tareas propuestas; así como la presentación, exposición, debate o comentario de trabajos individuales o realizados en pequeños grupos. En muchos casos el profesor exigirá a los alumnos la entrega de ejercicios previa a la celebración de la tutoría. Estas entregas vendrán recogidas en el calendario de actividades que van a realizar los alumnos a lo largo del curso de la Guía Docente de la asignatura correspondiente. La asistencia a estas clases es obligatoria. 11

12 Las faltas deberán ser justificadas documentalmente, aceptándose razones de examen y de salud, así como aquellos casos contemplados en la normativa universitaria vigente. Las actividades presenciales obligatorias no realizadas se recuperarán de acuerdo con el profesor y dentro del horario previsto para la asignatura Recomendaciones para el estudio de la materia Esta asignatura requiere conocimientos importantes de matemáticas y de física. Por ello, se recomienda que el alumno haya superado las asignaturas de matemáticas y de física del primer curso del grado. El alumno debe repasar los conceptos teóricos introducidos en los distintos temas utilizando el manual de referencia y los resúmenes. El grado de acierto en la resolución de los ejercicios propuestos proporciona una medida de la preparación del alumno para afrontar el examen final de la asignatura. Aquellos alumnos que encuentren dificultades importantes a la hora de trabajar las actividades propuestas deben de acudir en las horas de tutoría del profesor, con el objetivo de que éste pueda analizar el problema y ayudar a resolver dichas dificultades. Es muy importante a la hora de preparar el examen resolver algunos de los ejercicios que figuran al final de cada uno de los capítulos del manual de referencia. 12

13 5.4. Calendario de actividades que van a realizar los alumnos a lo largo del curso. GRUPO A Setiembre Octubre Noviembre L Ma Mi X Vi L Ma Mi X V L Ma Mi X Vi S S L1 L S S L3 L4 L S S L6 L7 L L9 L10 L11 S2 S L12 L13 S2 S1 P1 P L14 L15 S2 S1 P T1 T3 T4 L16 L17 T5 T2 P4 31 L18 L19 S2 S L20 L21 S2 S1 P1 P L22 L23 S2 S1 P L24 P P1 P2 P3 Diciembre Otras actividades Notas L Ma Mi X Vi S S L S S T T T L28 T5 T2 P Exámenes 25/1/17 10:00 Aula de Bioloxía 14/6/17 16:00 Aula de Bioloxía L26 L25 S2 S1 Clases expositivas (teóricas) L Clases interactivas (Seminarios) S Clases interactivas (tutorías) T Clases prácticas de laboratorio P Días no lectivos Clases expositivas: Química Xeral Seminarios: S1 Matemáticas S2 Q. Inorgánica Tutorías: Aula 2.12 Prácticas: Aula de Informática

14 GRUPO B Setiembre Octubre Noviembre L Ma Mi X Vi L Ma Mi X V S S L1 L2 S S S L3* L4 L5 S S S L6* L7 L8 S S5 S4 L9* L10 L11 S S5 S4 L12* L13 S3 P S5 S4 L14 L15 S3 P7 P T6 T8 T9 L16 L17 T10 T7 P5 P8 31 L Ma Mi X Vi S5 S4 L18 L19 S S5 S4 L20 L21 S3 P S5 S4 L22 L23 S3 P6 P P Diciembre Otras actividades Notas L Ma Mi X Vi S S L27 S S S S T T T L28 T10 T7 P7 P P5 P6 P9 Exámenes 25/1/17 10:00 Aula de Bioloxía 14/6/17 16:00 Aula de Bioloxía S5 S4 L24 L25 S3 L26 P9 Clases expositivas (teóricas) L Clases interactivas (Seminarios) S Clases interactivas (tutorías) T Clases prácticas de laboratorio P Días no lectivos Clases expositivas: Química Física; (*) Química Inorgánica. Seminarios: S3 Q. Técnica; S4 Física; S5 Q. Orgánica. Tutorías: Q. Inorgánica. Prácticas: Aula de Informática 3.40

15 6. Indicaciones sobre la evaluación Las clases interactivas son obligatorias con carácter general. Las actividades presenciales obligatorias no realizadas intentarán recuperarse de acuerdo con el profesor y dentro del horario previsto para la asignatura. Las ausencias deberán estar debidamente documentadas. La evaluación consistirá en dos partes: 1) Evaluación continua, que podrá constar a su vez de: Ejercicios realizados en los seminarios (Ej_sem) Trabajo en las tutorías (Tut) Clases interactivas con ordenador (Ord) 2) Examen final (EF) La calificación del alumno no será inferior a la del examen final ni a la obtenida ponderándola con la evaluación continua. 3) Cada apartado anterior contabilizará para la nota final del alumno de la siguiente manera: Ej_sem 30% Tut 5% Ord 5% EF 60% Todo lo anterior también es aplicable a los alumnos repetidores con la excepción de las prácticas de ordenador, que sólo tendrán que repetirlas se las tienen suspensas Recomendaciones de cara a la evaluación El alumno debe repasar los conceptos teóricos introducidos en los distintos temas utilizando el manual de referencia y los resúmenes. El grado de acierto en la resolución de los ejercicios propuestos proporciona una medida de la preparación del alumno para afrontar el examen final de la asignatura. Aquellos alumnos que encuentren dificultades importantes a la hora de trabajar las actividades propuestas deben de acudir en las horas de tutoría del profesor, con el objetivo de que éste pueda analizar el problema y ayudar a resolver dichas dificultades. Es muy importante a la hora de preparar el examen resolver algunos de los ejercicios que figuran al final de cada uno de los capítulos del manual de referencia Recomendaciones de cara a la recuperación El profesor analizará con aquellos alumnos que no superen con éxito el proceso de evaluación, y así lo deseen, las dificultades encontradas en el aprendizaje de los contenidos de la asignatura. También les proporcionará material adicional (cuestiones, ejercicios, exámenes, etc.) para reforzar el aprendizaje de la materia.