BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS LICENCIATURA: QUÍMICO ÁREA ESPECÍFICA DE: FÍSICO-QUÍMICA

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1 BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS LICENCIATURA: QUÍMICO ÁREA ESPECÍFICA DE: FÍSICO-QUÍMICA NOMBRE DE LA ASIGNATURA: ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR CÓDIGO: LQU 591 FECHA DE ELABORACIÓN: MARZO 2001 NIVEL EN EL MAPA CURRICULAR: OPTATIVA TIPO DE ASIGNATURA: OTROS CURSOS PROFESORES QUE PARTCIPARON EN SU ELABORACIÓN: QUÍM. PEDRO SOTO ESTRADA QUÍM. ANDRÉS CAMACHO IYAÑEZ Dr. FRANCISCO JAVIER MELÉNDEZ BUSTAMANTE Dr. JUAN CARLOS RAMÍREZ GARCÍA HORAS DE TEORIA: 0 HORAS PRÁCTICA: 4 TOTAL DE CRÉDITOS: 4 PRE-REQUISITOS: S/R

2 RECOMENDACIONES: Conocimientos previos de Química Cuántica y Teoría de grupos, puntualizando en las soluciones de la ecuación de onda del oscilador armónico unidimensional y del rotor rígido para moléculas diatónicas y poli atómicas. PRESENTACION GENERAL DEL PROGRAMA La espectroscopia se puede entender de manera tradicional como el estudio de la interacción de la luz (radiación electromagnética) con la materia. Gracias a los resultados de la espectroscopia se ha obtenido la comprensión de la estructura electrónica de átomos y moléculas, energías de enlace, distancias ínter nucleares, fuerzas de enlace, etc. El curso de Espectroscopia Molecular está destinado a los estudiantes de licenciatura de los últimos años. La finalidad de la materia es formar a los estudiantes con una sólida comprensión de las bases teóricas de los métodos espectroscópicos y una apreciación de cómo esos métodos suministran información acerca de la estructura molecular. En la unidad 1 se presenta una clasificación de las diferentes técnicas espectroscópicas y conceptos básicos para abordar las rotaciones y vibraciones de moléculas diatónicas que se estudian en las unidades 2 y 3. Finalmente en las unidades 4 y 5 se analiza la espectroscopia IR y microondas para moléculas poli atómicas. Los conocimientos del curso son la base para comprender los métodos espectroscópicos experimentales, que se imparten en Química Analítica, Química Inorgánica y en Fisicoquímica. Además, los diferentes equipos de caracterización de sustancias que se emplean en la industria, tienen sus bases teóricas en la Espectroscopia Molecular. OBJETIVOS GENERALES DEL CURSO Después del curso el alumno podrá: 1. Identificar las características básicas de las espectroscopias de absorción, emisión y Raman. 2. Establecer las reglas de selección globales para las espectroscopias de rotación y vibración. 3. Hacer un esquema de cómo se obtiene un espectro de microondas. 4. Explicar las características de los espectros de vibración-rotación y deducir expresiones para las ramas P, Q y R del espectro. 5. Establecer las reglas de selección para la espectroscopia IR y utilizar las especies de simetría de las vibraciones para deducir qué modos son activos en infrarrojo. 6. Establecer las reglas de selección para la espectroscopia de vibración Raman y utilizar las especies de simetría de las vibraciones para deducir qué modos son activos en Raman.

3 Con estos conocimientos el alumno tendrá la habilidad de interpretar los espectros moleculares, además podrá integrarse con mayor facilidad a estudios de postgrado. Asimismo tendrá la capacidad de análisis y síntesis en el manejo de datos. Este curso contribuirá en el alumno para que sea capaz de realizar e interpretar análisis de cualquier producto industrial o natural, en cualquier etapa de la producción ya sea de materias primas, de productos en proceso y de productos terminados. CONTENIDO Y ESQUEMA DEL CURSO UNIDAD I ORÍGENES DE LOS ESPECTROS (10 HORAS) INTRODUCCIÓN A LA UNIDAD I En esta unidad se dará a conocer al estudiante como en espectroscopia podemos ver las moléculas de una muestra proyectando luz a través de la misma y midiendo con un instrumento adecuado qué longitudes de onda de la luz han sido absorbidas o emitidas por las moléculas generando los diferentes tipos de espectroscopia. Cualquier sistema molecular o atómico posee energía sólo en ciertas cantidades especiales, denominadas niveles de energía del sistema. Cuando un sistema efectúa una transición entre estos niveles de energía, se emite o se absorbe luz. Existen restricciones, llamadas reglas de selección, para las transiciones que pueden producirse entre los niveles de energía. Si se ha de observar una línea espectral, debe haber una población considerable de los sistemas en el nivel de energía inicial. Por tanto es necesario estudiar las poblaciones o distribuciones en los diferentes niveles de energía. OBJETIVOS DE LA UNIDAD I 1. Conocer la naturaleza de la radiación y los diferentes métodos experimentales necesarios para estudiar la absorción o emisión de la radiación. 2. Saber y aplicar las reglas de selección 3. Calcular poblaciones relativas. TEMAS DE LA UNIDAD I 1.1 Clasificación de la espectroscopia 1.2 Longitud de onda, frecuencia y energía de radiación 1.3 Distribución de Boltzmann 1.4 Simetría de las funciones de onda 1.5 Reglas de selección e intensidad 1.6 Anchura de las líneas 1.7 Ejercicios UNIDAD II VIBRACIONES DE MOLÉCULAS DIATÓMICAS (14 HORAS) INTRODUCCIÓN A LA UNIDAD II Se dará a conocer como el movimiento molecular se altera por la absorción de cuantos de radiación infrarroja provocando un movimiento de vibración en las moléculas. Primero analizaremos la vibración desde el punto de vista clásico para conceptuar el fenómeno y después utilizar los resultados para el tratamiento cuántico. Finalmente se aplicará las soluciones quánticas para interpretar la vibración de moléculas diatónicas aproximando sus resultados a los experimentales mediante parámetros de anarmonicidad. OBJETIVOS DE LA UNIDAD II 1. Resolver las ecuaciones de movimiento de la oscilación clásica. 2. Interpretar el pozo de energía potencial del enlace químico.

4 3. Resolver la ecuación de onda del oscilador armónico. 4. Estudiar los espectros de vibración de las moléculas para obtener información sobre la flexibilidad del enlace, calculando la fuerza de enlace. TEMAS DE LA UNIDAD II 2.1 La vibración de una sola partícula(clásico) 2.2 La vibración de dos partículas conectadas por un resorte(clásico) 2.3 La función de energía potencial para un enlace químico 2.4 Las soluciones cuánticas del oscilador armónico 2.5 Espectro de absorción vibracional de moléculas diatómicas 2.6 Anarmonicidad 2.7 Ejercicios UNIDAD III ROTACIÓN DE MOLÉCULAS LINEALES (18 HORAS) INTRODUCCIÓN A LA UNIDAD III Se profundizará en la espectroscopia rotacional deduciendo propiedades moleculares como la longitud de enlace, además se estudiara el acoplamiento vibración-rotación y el espectro Raman. OBJETIVOS DE LA UNIDAD III 1. Obtener las ecuaciones que describen la rotación de objetos macroscópicos. 2. Resolver la ecuación de onda de un rotor cuántico lineal y aplicar sus resultados en la interpretación del espectro rotacional. 3. Interpretar el espectro de vibración-rotación. TEMAS DE LA UNIDAD III 3.1 Rotación de un sistema lineal(clásico) 3.2 Rotación de un sistema lineal(cuántico) 3.3 Población de los niveles de energía rotacionales 3.4 Espectro rotacional de moléculas lineales rígidas 3.5 Rotor no rígido 3.6 Espectros Raman de rotación 3.7 Espectros de vibración-rotación de moléculas diatómicas 3.8 Espectro Raman de vibración-rotación de moléculas diatómicas 3.9 Ejercicios UNIDAD IV ROTACIÓN DE MOLÉCULAS POLIATÓMICAS (14 HORAS) INTRODUCCIÓN A LA UNIDAD IV Se analizara los diferentes rotores que forman las moléculas y resolviendo la ecuación de onda interpretar las transiciones rotacionales de moléculas de mas de dos átomos. OBJETIVOS DE LA UNIDAD IV 1. Aplicar la aproximación de Born-Oppenheimer 2. Clasificar los diferentes rotores de acuerdo a sus momentos principales de inercia. TEMAS DE LA UNIDAD IV 4.1 Mecánica cuántica de un rotor rígido 4.2 Rotores esféricos 4.3 Rotores simétricos 4.4 Rotores asimétricos 4.5 Efecto Stark 4.6 Transiciones rotacionales 4.7 Espectroscopia de microondas

5 4.8 Ejercicios UNIDAD V VIBRACION DE MOLECULAS POLIATOMICAS (8 HORAS) INTRODUCCIÓN A LA UNIDAD V Para abordar el problema cuántico de la vibración de moléculas de más de dos átomos, es necesario obtener el hamiltoniano clásico y resolviendo la ecuación de onda obtener las funciones y energías vibracionales de la mecánica cuántica. OBJETIVOS DE LA UNIDAD V 1. Comprender las reglas de selección para las transiciones vibraciónales. 2. Interpretar el espectro de vibración de moléculas poli atómicas. TEMAS DE LA UNIDAD V 5.1 Mecánica clásica de la vibración 5.2 Modos normales 5.3 Espectro de vibración de moléculas poli atómicas 5.4 Espectro Raman de vibración de moléculas poli atómicas 5.5 Ejercicios METODOLOGÍA: 1. Explicar los objetivos a tocarse o verse en el curso y por sesión. 2. Relacionar los objetivos con las necesidades y experiencias de los alumnos. 3. Introducción para estimular el interés del grupo, para ubicarlos en el tema y para explicarles como van ha utilizar la información. 4. Exposición oral de las clases promoviendo habilidades de reflexión, análisis y síntesis. 5. Interrogar a los alumnos acerca del contenido expuesto, para detectar errores de interpretación y corregirlos. 6. Estimular a los alumnos para que planteen sus dudas o realicen comentarios en relación con el contenido. 7. Síntesis para que los alumnos integren y afirmen las ideas básicas expuestas. 8. Ejemplos suficientes en relación con el tema. 9. El alumno tendrá una tolerancia de 10 minutos para entrar a clase, con la finalidad de promover el habito de puntualidad. 10. El estudiante deberá entregar las tareas y/o trabajos en el día y hora indicados, con el objetivo de fomentar la responsabilidad. Los alumnos participaran explicando la solución de los ejercicios, promoviendo de esta forma la creatividad y trabajo en equipo. Expondrán algunos de los temas, con los cuales se fomentara la capacidad interpretativa del estudiante, el autoaprendizaje, el valor de responsabilidad y respeto hacia sus compromisos. Además, adquieren la habilidad de transmitir el conocimiento y desarrollar la capacidad de comunicación. INSTRUMENTACIÓN DIDÁCTICA A UTILIZAR: 1. Utilización de pizarrón, acetatos, diapositivas y películas. 2. Conferencias por especialistas en la materia.

6 3. Visitas a los diferentes laboratorios, donde se encuentra el equipo experimental, con el interés de relacionar la teoría con la practica. 4. Utilización de software para simular espectros. 5. Revisiones en Internet y revistas. 6. Se requiere proyector de acetatos, diapositivas, cañón, video, televisión. 7. Además se requiere la compra del programa PC Spartan Plus. CRITERIOS DE EVALUACIÓN: 1. Se considerara la asistencia de acuerdo al articulo 46 del Reglamento de Procedimientos, Admisión, Permanencia y Egreso. 2. Se establecen tres exámenes parciales durante el cuatrimestre, que equivalen al 75 % del examen ordinario. 3. La calificación de cada uno de los exámenes parciales estará integrada por : a)tareas y participación 20% b) Examen 80 % 4. La calificación de ordinario será el promedio de los tres exámenes parciales y la calificación del Laboratorio. 5. El alumno tendrá derecho al examen extraordinario de acuerdo al articulo 46 del Reglamento de Procedimientos, Admisión, Permanencia y Egreso. La evaluación tendrá como objetivo ser un instrumento de retroalimentación de los conocimientos y un indicador de sí los objetivos del curso se lograron. Los resultados nos pueden permitir modificar las estrategia de enseñanza. NOMBRES DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO QUE SE REALIZAN: 1. Seminarios de los temas del programa: a) Reglas de Selección para transiciones vibracionales b) Reglas de Selección para transiciones rotacionales c) Técnica experimental de la espectroscopia vibracional d) Técnica experimental de la espectroscopia rotacional e) Técnica experimental de la espectroscopia Raman 2. Visitas al Laboratorio de Química del ICAUP y al Laboratorio de Espectroscopia Raman del Instituto de Física de la Universidad. 3. Talleres impartidos por investigadores del ICUAP y del Instituto de Física. 4. Practicas Usando PC Spartan Plus. a) Infrared Spectrum of Acetic Acid b) Structure and Infrared Spectrum of Water Dimer c) Atomic Charges and Electric Dipole Moments BIBLIOGRAFÍA BÁSICA: 1. Physical Chemistry Atkins, P. W. New York: W. H. Freeman, 1999

7 2. Química Física Atkins, P. W. Barcelona: Omega, Fisicoquímica Levine, Ira N. Madrid: McGraw-Hill, Química Cuántica Levine, Ira N. Madrid: Prentice Hall, Molecular Spectroscopy Levine, I. N., Wiley, New YorK, Molecular Spectroscopy Brown, John M. Oxford; New York: Oxford University Press, 1998 BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA: 1. Introduction to Molecular Spectroscopy. Barrow, Gordon M., McGraw-Hill, Unidades I, II, III y IV. 2. Fisicoquimica Castellan, G. W. México: Addison-Wesley Longman, 1998 Unidades II y III. 3. Chemical applications of Group Theory Cotton, F. A., New York: Wiley Unidad V.