GUÍA DOCENTE DE ASIGNATURA CURSO 2008/2009

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1 GUÍA DOCENTE DE ASIGNATURA CURSO 2008/ DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA 1.1.Nombre Espectroscopía 1.3. Código Plan 1.7. Curso de la Titulación Créditos ECTS Organización de las actividades I. TRABAJO PRESENCIAL DEL ESTUDIANTE II. TRABAJO NO PRESENCIAL DEL ESTUDIANTE (Trabajo Autónomo) Tercero Tipo: obligatoria, optativa Químicas 2000 Obligatoria Horas presenciales del estudiante 1.2. Código UNESCO 1.5.Curso académico 1.9. Cuatrimestre Segundo Horas no presenciales del estudiante 1.6. Ciclo formativo 1.10 Créditos LRU Actividades previstas para el aprendizaje y distribución horaria del trabajo Horas del estudiante por actividad Clases de Teoría 30 Clases Prácticas 8 Seminarios 2 Prácticas externas 0 Tutorías individuales Tutorías colectivas 5 Realización de pruebas de evaluación Trabajo en grupo 10 Trabajo individual (preparación de exámenes, horas de estudio, consultas en WCT, etc) TOTAL HORAS DE TRABAJO DEL ESTUDIANTE DATOS DEL/ LA PROFESOR/A 2.1. Nombre Ana Mª Cámara Artigas 2.2. Departamento Química Física, Bioquímica y Química Inorgánica 2.3. Despacho Edf. Científico Técnico I (Químicas) Horario de tutoría er Cuatrimestre 2.5. Teléfono Dependerá del horario oficial de las clases. Se actualizará en la página web del Departamento 2.6. E- mail 2.8. Página web º Cuatrimestre Segund o Ciclo Dependerá del horario oficial de las clases. Se actualizará en la página web del Departamento acamara@ual.es 2.7. Apoyo virtual Web-CT Si 6 1

2 personal 3. ELEMENTOS DE INTERÉS PARA EL APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA 3.1. Breve descripción de los contenidos En este curso de Espectroscopía se imparten las fundamentos y bases conceptuales de las técnicas espectroscópicas de gran aplicación en otras disciplinas de la Química y Física. Se inicia la asignatura a modo de introducción, abordando una serie de cuestiones generales a toda técnica espectroscópica que serán aplicadas de forma más específica en las diferentes técnicas espectroscopicas objeto de estudio durante el curso. Por simplicidad, primero se abordarán aquellas técnicas espectroscópicas en las cuales el sistema objeto de estudio es el más sencillo posible, es decir átomos, y en concreto se estudiaran las transiciones electrónicas en átomos. Para una descripción correcta de los fenómenos relacionados con la estructura es necesario recurrir a la Mecánica Cuántica y por tanto es fundamental conseguir que los alumnos comprendan el método mecano-cuántico y como se aplica este al estudio de los átomo y las moléculas. Por ello es necesario que el alumno haya superado previamente la asignatura de Química Cuántica que se imparte en primer curso. Dado que la espectroscopía que estudia la interacción de la radiación electromagnética con la materia, es necesario que el alumno entienda como se producen los tránsitos energéticos en los átomos y moléculas. Por ello a lo largo del curso se recurrirá para explicar las diferentes técnicas espectroscópicas a introducir las bases fenomenológicas a partir de modelos mecano-cuánticos sencillos. Por ejemplo, a la hora de introducir la interacción energética que da lugar a movimientos de rotación en la molécula se utilizará el rotor rígido, para posteriormente abordar aquellos sistemas en los que el rotor rígido no da una explicación satisfactoria a través de modelos más complejos. El desarrollo del curso se llevará a cabo primero estudiando las técnicas de absorción-emisión, segundo las técnicas de dispersión y por último las técnicas en las cuales las interacción de la radiación electromagnética se lleva a cabo en presencia de un campo magnético. De esta forma se estudiarán primero los espectros de rotación, vibración y electrónicos, para después introducir los espectros Raman. Por último se estudiarán las espectrocopías de resonancia (de espín electrónico y de espín nuclear). Dentro de cada lección, primero se estudiarán los sistemas más sencillos para luego introducir las modificaciones oportunas en estos modelos sencillos para su aplicación a sistemas más complejos. Así primero se estudian moléculas diatómicas para luego incorporar las moléculas poliatómicas. Por todo lo expuesto, el objetivo global de esta asignatura es la contextualización de los principios químico-físicos que rigen en las diferentes técnicas espectroscópicas, que luego el alumno estudiará aplicadas en otras asignaturas de Química Analítica, Química Inorgánica o Química Orgánica Materia con la que se relaciona en el Plan de Estudios La presente asignatura es una aplicación de los conocimientos adquiridos por el alumno en la asignatura Química Cuántica que se imparte en el primer curso de la licenciatura y se relaciona con todas aquellas asignaturas que hagan uso de las técnicas espectroscópicas como herramienta para la caracterización de las sustancias químicas Relación con las competencias del perfil académico y profesional de la titulación Esta asignatura se relaciona directamente con las competencias del perfíl académico y profesional del químico Conocimientos necesarios para abordar la asignatura (Conocimiento previos, idioma en que se imparte, etc.) Es muy recomendable que el alumno haya cursado y aprobado la asignatura de Química Cuántica, así como todas en las que se imparte conocimientos matemáticos y de física. Así mismo son recomendables un buen manejo del inglés científico y de las aplicaciones ofimáticas y de cálculo habituales Requisitos previos recogidos en la memoria de la Titulación 2

3 En los actuales planes de estudio no se recoge ningún requisito previo. 4. OBJETIVOS 1. Conocimiento de los sistemas mecano-cuánticos sencillos y su aplicación al estudio de la estructura de la materia a través de la aplicación de técnicas espectroscópicas. 2. Estudio espectroscópicos de átomos y moléculas. 3. Aplicación de las técnicas espectroscópicas a la caracterización estructural y dinámica de las sustancias. 5. COMPETENCIAS 5.1. Competencias genéricas A4. Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado. B1. Capacidad de análisis y síntesis. B6. Capacidad para resolver problemas 5.2. Competencias específicas Competencias Específicas Conceptuales (Conocimiento Teórico): 1. Bases teóricas de las técnicas espectroscópicas: espetroscopía de microondas, infrarrojo, Raman, electrónica, RMN y EPR 2. Bases teóricas de la aplicación de las técnicas espectroscópicas a sistemas reales: átomos y moléculas. Competencias Específicas Procedimentales (Conocimiento Práctico): 1. Manejo en los métodos aproximados aplicando sistemas mecano-cuánticos al estudio espectroscópico de los átomos y moléculas. 2. Manejo de las herramientas computacionales necesarias para realizar cálculos complejos a través de aplicaciones informáticas especificas BLOQUES TEMÁTICOS Y MODALIDAD ORGANIZATIVA DE ENSEÑANZA Bloques temáticos Espectroscopia molecular 1: espectros rotacional y vibracional Modalidad propuesta siguiendo modelo CIDUA Clase de contenido teórico (a desarrollar en gran grupo y grupo docente) Clase de problemas (a desarrollar en grupo de trabajo) Seminarios (a desarrollar en grupo de trabajo) Debates Metodología de trabajo del estudiante (procedimientos y actividades formativas) Contenidos del Tema 13 del libro asignado Ejercicios y problemas del libro asignado Ejercicios con espectros rotacional y vibracional Aplicaciones cotidianas de los espectros rotacional y vibracional 3

4 Clase de contenido teórico (a desarrollar en gran grupo y grupo docente) Contenidos del Tema 14 del libro asignado Espectroscopia molecular 2: transiciones electrónicas Clase de contenido práctico (a desarrollar en grupo de trabajo) Ejercicios y problemas del libro asignado Seminarios ( a desarrollar en grupo de trabajo) Ejercicios con espectros electrónicos Espectroscopia molecular 3: resonancia magnética Debates Clase de contenido teórico (a desarrollar en gran grupo y grupo docente) Clase de contenido práctico (a desarrollar en grupo de trabajo) Seminarios ( a desarrollar en grupo de trabajo) Debates Aplicaciones cotidianas de los espectros electrónicos Contenidos del Tema 15 del libro asignado Ejercicios y problemas del libro asignado Ejercicios con espectros de resonancia Aplicaciones cotidianas de los espectros de resonancia 4

5 6.2 PLANIFICACIÓN Y SECUENCIACIÓN TEMPORAL DE ACTIVIDADES DEL ESTUDIANTE BLOQUES TEMÁTICOS CONTENIDOS/TEMA DESCRIPCIÓN DE TAREAS DEL ESTUDIANTE CONTENIDOS TEÓRICOS HORAS (previsión de actividades presenciales y trabajo autónomo) 1 ER BLOQUE 1 Introducción a la Espectroscopia. Reglas de selección. Intensidad de las líneas del espectro. Anchura de línea. Instrumentación Estudiar los conceptos generales de la técnica como es reconocer las diferentes zonas del espectro electromagnético y mediante que mecanismos se da la interacción de esta radiación con las moléculas. Estudiar las características de los espectros como son intensidad y anchura de banda. Conocer la dependencia de la intensidad de las bandas con la probabilidad de los tránsitos, población, coeficientes de Einstein, etc y aquellos factores que afectan al ensanchamiento de banda y como este se manifiesta en las diferentes regiones del espectro electromagnético y en función del estado de agregación de la materia. Estudiar los diferentes tipos de diseño básico de instrumentos. Realizar los ejercicios asignados y el examen de WebCT (presenciales+trabajo autónomo) 5

6 2 3 Rotación en moléculas diatómicas. El rotor rígido. Espectros de rotación. Distorsión centrífuga. Moléculas poliatómicas. Vibración en moléculas diatómicas. El oscilador armónico. El oscilador anarmónico. Moléculas poliatómicas. Estudiar los fundamentos de los espectros en los que se estudia la rotación pura de las moléculas. Se estudiarán primero los sistemas más simples, moléculas diatómicas. Saber identificar las transiciones energéticas características y como estas se pueden explicar numéricamente a través de modelos mecanocuánticos simplificados, en algunos casos, y en otros con modelos algo más complejos. Saber identificar las transiciones energéticas características y como a partir de ellas se puede determinar parámetros moleculares característicos como la distancia interatómica. Describir el comportamiento de moléculas más complejas en los espectros de rotación. Realizar los ejercicios asignados y el examen de WebCT. Estudiar los fundamentos de los espectros en los que se estudia la vibración pura de las moléculas. Saber identificar las transiciones energéticas características y como estas se pueden explicar numéricamente a través de modelos mecano-cuánticos simplificados, en algunos casos, y en otros con modelos algo más complejos. Saber identificar las transiciones energéticas características y como a partir de ellas se puede determinar parámetros moleculares característicos como la constante de fuerza del enlace o la frecuencia característica del mismo. Realizar los ejercicios asignados y el examen de WebCT

7 4 2º BLOQUE 5 3er BLOQUE Espectros Raman rotacionales puros. Espectros Raman vibracionales. Estructura electrónica de moléculas diatómicas y espectro electrónico. Reglas de selección. Estructura vibracional. Disociación y predisociación. Estructura rotacional fina. Estados electrónicos de moléculas poliatómicas y espectro electrónico. Grupos cromóforos. Fluorescencia y fosforescencia. Estudiar los fundamentos de la interacción de la radiación electromagnética mediante choque inelástico de los fotones con las moléculas. Ver que modificaciones son oportunas sobre las ecuaciones aplicadas anteriormente. Resolver espectros de resonancia, asignando los tránsitos y determinando parámetros característicos moléculares. Realizar los ejercicios asignados y el examen de WebCT. Estudiar los fundamentos de los espectros en los que se estudia los tránsitos electrónicos de las moléculas. Se estudiarán primero los sistemas más simples, moléculas diatómicas y como están implicados los tránsitos vibracionales y rotacionales concomitantes a todo tránsito electrónico. Saber identificar las transiciones energéticas características y como a partir de ellas se puede determinar parámetros moleculares característicos como la energía de disociación. Describir el comportamiento de moléculas más complejas en los espectros de rotación. Realizar los ejercicios asignados y el examen de WebCT

8 6 7 8 Interacción del espín nuclear con un campo magnético. Reglas de selección y población de los niveles. Desplazamiento químico. Acoplamiento espínespín. Espectros RMN de primer orden. Interacción entre un electrón libre y un campo magnético externo. Sistemas de varios núcleos. Estudiar los fundamentos de los espectros de resonancia y como estos se dan por la interacción de la radiación electromagnética en presencia de campos magnéticos. Se estudiarán los requisitos que debe cumplir el espín nuclear para que las moléculas puedan ser estudiadas mediante las técnicas de resonancia. Estudiar como se ve modificados los niveles energéticos y por tanto los tránsitos en presencia de un determinado entorno químico y como esto sirve para caracterizar las moléculas por RMN. Resolver de forma razonada, aplicando los conocimientos de la asignatura, espectros de RMN. Estudiar los fundamentos de los espectros de resonancia y como estos se dan por la interacción de la radiación electromagnética en presencia de campos magnéticos. Se estudiarán los requisitos que debe cumplir una molécula para que las moléculas puedan ser estudiadas mediante las técnicas de resonancia de espín electrónico (espines desapareados). Estudiar como se ve modificados los niveles energéticos y por tanto los tránsitos en presencia de un determinado entorno químico y como esto sirve para caracterizar las moléculas por RSE. Resolver espectros característicos de sistemas de varios núcleos. CONTENIDOS PRÁCTICOS Ejercicios numéricos de los contenidos teóricos y trabajo bibliográfico: El alumno realizará un trabajo bibliográfico sobre uno de los temas reflejados en los anteriores bloques temáticos (ver detalles en evaluación). HORAS (previsión de actividades presenciales y trabajo autónomo):

9 7. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LAS COMPETENCIAS 7.1. Criterios de evaluación Todo lo señalado anteriormente tiene como objeto enseñar los conceptos de la asignatura de la forma más adecuada. Pero para que el binomio enseñanza - aprendizaje se cumpla, es necesario comprobar de alguna forma el aprendizaje alcanzado por el alumno. La evaluación es pues una herramienta imprescindible del docente, y quizás la más difícil de poner en práctica. Para ello se dispone de tres tipos de acciones: a) Medir; b) Establecer unas normas a las que deberá ajustarse la medida; c) Interpretar las medidas obtenidas y emitir como consecuencia un juicio de valor. No hay que olvidar que muchas veces el alumno modifica su forma de estudio en función del tipo de evaluación que espera. Por ejemplo, si el alumno es consciente que no se le van ha exigir desarrollos matemáticos en el examen, prescindirá de estudiárselos, o bien si no se le pide la aplicación de los conceptos aprendidos a la resolución de cuestiones, se limitará a un estudio memorístico prescindiendo del razonamiento critico de lo que ha estudiado y sus posibles aplicaciones. Por ello elaborar un buena evaluación es una tarea ardua, ya que este debe demostrar lo que alumno ha aprendido y de que forma. Además, por desgracia, en muchos casos el examen es la única motivación para determinados alumnos a aprenderse la asignatura. En la asignatura que nos ocupa, Espectroscopía, hay un elevado contenido matemático, que muchas veces es la clave del fracaso en la misma, pero en ningún momento se debe minimizar su contenido. Así mismo, debido al que el contenido de la asignatura es evidentemente práctico, el alumno debe ser evaluado mediante cuestiones o ejercicios en los que se vea la aplicación de los contenidos teóricos/prácticos. Esta es la mejor forma de valorar si el alumno ha comprendido la asignatura y será capaz por si mismo de aplicar dichos conocimientos en un futuro próximo tanto en el estudio de otras asignaturas de la licenciatura como en su profesión Instrumentos de evaluación La asignatura Espectroscopia se evaluará mediante los siguientes apartados: 1. Exámenes mediante WebCT cada dos semanas y, en su caso, solución de ejercicios propuestos de forma personalizada (ver apartado de herramientas de recuperación y mecanismos de seguimiento). Estos se llevarán a cabo en las aulas de informática, previa disponibilidad de las mismas. (25 % de la nota final). 2. En este apartado se llevará a cabo la solución de los problemas de los Temas del Atkins-de Paula. Se indicará en cada tema los ejercicios propuestos a cada alumno y tiene un plazo de entrega a través de WebCT de 15 días después de la asignación. Los ejercicios se entregarán vía WebCT en un archivo pdf y en papel en el despacho de la profesora. En la valoración de los ejercicios se tendrá en cuenta: Introducción teórica de los conceptos necesarios para resolver el problema. Resolución correcta del problema Presentación del ejercicio Dentro de este apartado también se evaluará la traducción y explicación de un artículo de espectroscopia del Journal of Chemical Education que se encuentra disponible para consulta en la Biblioteca de la UAL (Números disponibles: : Vol.60-73, 1997: Vol.74,núm.1-4,12, 1998: Vol.75,núm.1-2,4-12,1999: Vol.76,núm.1-12, 2002: Vol.79,núm.7 ). Se consultará con la profesora la asignación del artículo. En la valoración del trabajo se tendrá en cuenta: Traducción correcta del artículo Explicación de los conceptos de la asignatura aplicados en el artículo, donde se valorará la consulta de textos o artículos especializados Citas bibliográficas Presentación del trabajo. Se entregará via WebCT y en papel en el despacho de la profesora Exposición del trabajo en clase: presentación de 10 minutos de duración con PowerPoint y 9

10 cinco minutos para preguntas. 3. Examen final (50 % de la nota final): teoría, problemas y espectros. La nota final será el promedio de los apartados anteriores, teniendo en cuenta que los apartados deben ser superados de forma individual. La asistencia a clase se valorará positivamente con un incremento en la nota final del 10 % de la nota total obtenida Recomendaciones para la recuperación Estudiar y realizar los ejercicios propuestos Mecanismos de seguimiento (se recogerán aquí los mecanismos concretos que los docentes propongan para el seguimiento del/la estudiante. p. ej: asistencia a tutoría, etc.) Quincenalmente se realizará un examen por WebCT que permitirá al profesor evaluar el aprendizaje de los alumnos. Aquellos alumnos que no alcancen un nivel adecuado de conocimientos se les asignarán ejercicios personalizados que deberán entregar y explicar al profesor en las horas de tutoría asignadas para tal propósito. 8. BIBLIOGRAFÍA DE LA ASIGNATURA 8.1. Bibliografía básica Considerando los conocimientos previos del alumnado de esta universidad, se ha optado por seguir para la asignatura un texto general de Química Física clásico como es el libro de Atkins de Química Física (Atkins P. W. "Química Física". Ed. Panamericana 8ª edición). El contenido de la asignatura se recoge en tres temas (Tema 13-15) de la versión española. Otra bibliografía recomendable es: Texto específico de la asignatura: Requena, A y Zúñiga, J (2004) "Espectroscopía " Otros textos de espectroscopía Banwell, C.N. (1977) "Fundamentos de espectroscopía molecular, Castillo, Madrid. Hollas, J.M. (2005) "Modern Spectroscopy, 4th ed. John Wiley and Sons, New York Morcillo, J. y Núñez, J.L. (1977) "Unidades didácticas de espectroscopía, UNED, Madrid. McHale, Jeanne L. (1999) Molecular spectroscopy, Upper Saddle River, New Jersey : Prentice Hall, Otros textos generales de Química Física Bertrán Rusca, J.; Núñez Delgado J. "Química Física I y II". Ed. Ariel Ciencia. Levine I. N. "Fisicoquímica". (2 vol.) Ed. Mc Graw-Hill Direcciones Web/ Uso de plataforma virtual La asignatura se imparte en WebCT desde hace más de cinco años. Los temas de la asignatura están accesibles a través de páginas web en las que los alumnos se pueden descargar las transparencias del tema, así como las relaciones de problemas con sus soluciones. También se proponen ejercicios complementarios de los conocimientos adquiridos en las clases teóricas y prácticas. En las páginas correspondientes a cada tema se incluyen también aquellas páginas web de interés específico para el tema y en la página de introducción a la asignatura se incluyen aquellas de interés general, de las cuáles cabe citar la de la Universidad de Oviedo cuenta con una página web excelente para esta asignatura, tanto por su contenido teórico como por su colección de problemas resueltos: Otras páginas en inglés de interés general para la asignatura son las correspondientes a la versión inglesa del libro de Atkins y Paula de Química Física, en donde el alumno tiene acceso a ejercicios y ejemplos del libro. 10