FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS

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1 FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS Código-Materia: Fisicoquímica 3 y Laboratorio Requisito: Fisicoquímica II y laboratorio Programa Semestre: Química Período académico: Intensidad semanal: 4 horas + 3 de laboratorio Créditos: 4 (3+1) Descripción En este curso se introducen los fundamentos de la mecánica cuántica con el objetivo de construir los modelos modernos de átomo y enlace químico. Las moléculas diatómicas y poliatómicas son tratadas en el modelo cuántico moderno de enlace químico y la teoría de orbital molecular. La interacción de la radiación con la materia se trata a nivel aplicado estudiando en detalle las espectroscopias electrónica, rotacional, vibracional y de resonancia magnética nuclear. Objetivos General: Describir a nivel fundamental fenómenos fisicoquímicos de relevancia en procesos y transformaciones químicas. Relacionar fenómenos fundamentales a escalas subatómica, atómica y molecular con el comportamiento químico y espectroscópico de las entidades químicas. Emplear las leyes de movimiento clásicas y cuánticas en la descripción del movimiento de moléculas y macromoléculas. A nivel práctico, los conceptos y teorías tratadas en el curso se aplican empleando software como GAUSSIAN, GAMESS o Mathematica. Terminales: Al finalizar el semestre el estudiante estará en capacidad de: Describir fenómenos cuánticos fundamentales que estén relacionados con fisicoquímica y espectroscopia. Describir movimiento molecular empleando las leyes clásicas y cuánticas. Calcular propiedades moleculares empleando software de estructura electrónica y de mecánica molecular. Utilizar Mathematica como una herramienta para resolver problemas matemáticos relacionados con procesos fisicoquímicos. Específicos De formación académica: Unidad 1: Mecánica Cuántica Describir la emergencia de la mecánica cuántica a principios del siglo XX y su relación con los fenómenos físicos y químicos no explicables en términos clásicos Resolver la ecuación de Schrödinger para sistemas simples de interés fisicoquímico. Relacionar las soluciones de la ecuación de Schrödinger con sistemas cuánticos de interés en espectroscopía y fisicoquímica molecular. Fisicoquímica 3 y Laboratorio Página 1 de 5

2 Emplear los métodos aproximados para resolver la ecuación de Schrödinger para sistemas moleculares que no se puedan resolver exactamente. Unidad 2: Estructura atómica. Relacionar el problema de la fuerza central con el átomo de hidrógeno Describir las soluciones del átomo de hidrógeno en términos matemáticos y espaciales. Relacionar el concepto de configuración electrónica con las soluciones del átomo de hidrógeno. Describir los métodos de campo autoconsistente para describir átomos multielectrónicos Describir los átomos multielectrónicos en términos de términos espectroscópicos Unidad 3: Estructura electrónica molecular. Reconocer la pertinencia de la aplicación de la aplicación de Born-Oppenheimer para el tratamiento de moléculas. Describir el enlace químico en términos de la Teoría de Orbital Molecular (TOM). Emplear la TOM para describir moléculas poliatómicas. Emplear términos espectroscópicos en la descripción de moléculas poliatómicas. Describir los estados electrónicos excitados y relacionarlos con la validez de la aproximación de Born-Oppenheimer. Emplear programas de química computacional para calcular propiedades de moléculas. Unidad 4: Espectroscopia y fotoquímica. Relacionar la simetría y la teoría de grupos con las estructuras moleculares Relacionar las diferentes técnicas espectroscópicas con los movimientos moleculares y electrónicos. Emplear reglas de selección para entender porque determinadas molécula presentan o no transiciones. Describir los experimentos de resonancia magnética nuclear a nivel fundamental. Describir el fenómeno laser, y relacionarlo con las técnicas de espectroscopia laser. Relacionar la estructura de niveles cuánticos con las diferentes técnicas de espectroscopia laser. Emplear pulsos laser para excitar estados no estacionarios en moléculas y relacionar este concepto con la espectroscopia laser dependiente del tiempo. De formación en valores y capacidades: Al terminar el curso cada estudiante habrá tenido la oportunidad de reflexionar sobre los siguientes valores, así como de desarrollar estas capacidades: La perseverancia y la autonomía, resolviendo los ejercicios propuestos en cada tema de estudio. La capacidad crítica para poner a prueba las teorías científicas a nivel teórico o experimental. La curiosidad intelectual y la capacidad de análisis, tratando de explicar los resultados teóricos y experimentales y la relación entre estos, así como la aplicación o extensión de los conceptos en otros campos científicos o tecnológicos. La responsabilidad, mediante el cumplimiento en las fechas de entrega de los trabajos e informes de laboratorio, cumplimiento de las normas de higiene y seguridad en el laboratorio. La honestidad, al reportar los resultados de la practica sin ninguna alteración independiente de si el experimento funcionó o no. El respeto por la naturaleza, evitando la contaminación ambiental al no verter en los desagües los residuos de los experimentos. Fisicoquímica 3 y Laboratorio Página 2 de 5

3 La capacidad de trabajo bajo presión, ya que la práctica de laboratorio debe terminarse en un tiempo determinado para poder reportar la totalidad de sus resultados. Metodología Los temas se desarrollaran durante el semestre siguiendo la metodología del aprendizaje activo. Tal como está planificado en el programa del curso, al final de la clase el profesor asigna las lecturas y tareas que el estudiante debe preparar para la clase siguiente. Al comienzo de la clase el estudiante presentará una comprobación de lectura corta o entregará la tarea que le haya sido asignada. Actividades del estudiante Antes de la clase: El estudiante deberá preparar los temas asignados por el profesor, lo que incluye: Estudiar el material asignado en la programación del curso, tanto para la clase teórica como para el laboratorio. Buscar información sobre los cuidados que se deban tener con los reactivos, equipos, instrumentos y procedimientos involucrados en las prácticas de laboratorio. Resolver las tareas, preguntas y ejercicios contenidos en el material del curso y lo asignado adicionalmente por el profesor durante el semestre. Asistir a las secciones de monitoria, tutoría o atención a estudiantes, si requiere algún apoyo adicional. De ninguna manera se considera que se ha preparado la clase solamente leyendo el material a la carrera, poco antes de entrar al salón o al laboratorio. Durante la clase: El estudiante deberá: Plantear las dudas que le quedaron durante su proceso de estudio del tema a tratar. Participar activamente en las actividades de la clase de acuerdo con los temas desarrollados durante la misma. Trabajar en la solución de los problemas y ejercicios propuestos. Cumplir a cabalidad con las normas de seguridad en el laboratorio. Realizar la práctica de laboratorio correspondiente. Después de la clase: El estudiante deberá: Establecer las relaciones entre los temas tratados en la clase y el conocimiento previamente adquirido. Analizar los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio e integrarlos con los conceptos adquiridos en la clase teórica. Realizar las tareas definidas en la clase, incluyendo el desarrollo de ejercicios, consultas y otras actividades asignadas. Realizar el informe de laboratorio, después de la práctica realizada, según los lineamientos y requerimientos dados por el profesor. La evaluación tiene dos componentes, uno relacionado con la parte teórica y otro con la práctica. Fisicoquímica 3 y Laboratorio Página 3 de 5

4 Nota teórica (NT) Valor Semana en la que se Unidades que incluye porcentual realizará Examen Parcial y 2 Semana 6 Examen Parcial y 3 Semana 11 Examen Parcial y 4 Semana 17 4 Pruebas Cortas Unidades Definido en el 25 1,2,3,4 1,2,3, y 4 calendario del curso Nota final parte teórica 100% Nota laboratorio (NL) Valor porcentual Prácticas que Semana en la incluye que se realizara Comprobación de lectura 10% 1 a 8 Todas Trabajo en el laboratorio 10% 1 a 8 Todas Reporte de cálculos y resultados 10% 1 a 8 Todas Prueba Práctica 1 35% 1 a 8 Todas Prueba Practica 2 35% 1 a 8 Todas Nota final laboratorio 100% Nota final (NF) La nota teórica (NT) vale un 70%, el laboratorio (NL) un 30%, la nota final (NF) se calcula: Bibliografía NF = 0.7*NT + 0.3*NL, Libro Guía: Physical Chemistry a molecular approach, McQuarrie D. A. Libro Guía: Levine, I., Fisicoquímica: volumen 1 y 2, quinta edición, McGraw-Hill, Berry, R. S., Rice S. A., Ross J., Physical Chemistry, second edition, Oxford University Press, Atkins P., Paula, J. de, Physical Chemistry, seventh edition, W. H. Freeman and Company, APENDICE: PROGRAMA DE ACTIVIDADES sem clase TEMA A TRATAR LECTURA PRACTICA Matemáticas: números complejos, probabilidad y estadística, vectores 3 La aparición de la mecánica cuántica 4 5 Ecuación de ondas clásica 6 Mathchapter A, B y C capítulo 1 pag 1 a 25 capítulo 2 pag 39 a 54 Introducción al sistema operativo Fisicoquímica 3 y Laboratorio Página 4 de 5

5 La ecuación de Schrödinger y la partícula en una caja Postulados y principios de la mecánica cuántica capítulo 3 pag 73 a 96 capítulo 4 pag 115 a 134 Linux OS 11 EXAMEN 1 Introducción a 12 El oscilador armónico y el rotor rígido Mathematica 1 13 capítulo 5 pag 157 a Matemáticas: Coordenadas esféricas, determinantes 16 El átomo de hidrógeno Métodos aproximados Átomos multielectrónicos EXAMEN 2 23 Enlace químico de moléculas diatómicas Enlace en moléculas poliatómicas Espectroscopia Molecular Resonancia Magnética Nuclear Láseres, espectroscopia laser y fotoquímica 32 EXAMEN 3 Mathchapter D y E Capítulo 6 pag 191 a 220 Capítulo 7 pag 241 a 261 Capítulo 8 pag 275 a 308 Capítulo 9 pag 323 a 360 Capítulo 10 pag 371 a 399 capítulo 13 pag capítulo 14 pag 547 a 576 capítulo 15 pag 591 a 620 Introducción a Mathematica 2 Aplicaciones de Mathematica Predicción, Caracterización y Optimización de Estructuras de Transición Reacciones químicas y reactividad (interpretar la densidad electrónica y calcular entalpias de reacción) Coordenadas de Reacción Intrínsecas IRC y Barrido Fisicoquímica 3 y Laboratorio Página 5 de 5