Profesorado

Manuel Fernández Núñez
David Zorrilla Cuenca

Situación

Prerrequisitos

Para cursarla con aprovechamiento es necesario poseer unos conocimientos
básicos de Química y de Química Física, por lo que resulta MUY CONVENIENTE
haber cursado previamente la asignatura QUIMICA FISICA. Asimismo se necesitan
conocimientos matemáticos análogos a los que se han necesitado para entender
la TERMODINAMICA, lo que hace útil haber cursado tambien esa asignatura.

Contexto dentro de la titulación

Asignatura dirigida a los alumnos de último curso de la licenciatura y ubicada
en su segundo cuatrimestre.

Recomendaciones

Se trata de una asignatura "para entender", en muchísima mayor medida
que "para memorizar". Por ello es muy importante:
- Estudiar desde el primer día
- Realizar TODOS los ejercicios que se proponen.
- Asistir a las prácticas de laboratorio (aunque no sean obligatorias).
- Hacer uso de los horarios de tutoría para aclarar dudas.
- Realizar el trabajo de fin de curso.

Competencias

Competencias transversales/genéricas

CT_1. Capacidad de análisis y síntesis
CT_2. Conocimientos de informática relativos al ámbito de estudio
CT_3. Capacidad de gestión de la información
CT_4. Resolución de problemas
CT_5. Razonamiento crítico
CT_6. Creatividad
CT_7.     Adaptación a nuevas situaciones

Competencias específicas

• Cognitivas(Saber):

  CE_1. Aspectos principales de terminología mecanocuántica
  CE_2. Origen histórico y necesidad de la Mecánica Cuántica en un
  contexto químico
  CE_3. Uso de la ecuación de Schrödinger para la interpretación
  cualitativa del comportamiento de los electrones en las moléculas
  CE_4. Modelos mas empleados en la descripción de la estructura y de
  átomos y moléculas
  CE_5. Origen de las ondas electromagnéticas y mecanismos de su
  interacción con la materia.
  CE_6. Fundamento de los programas usados en modelización molecular.
  

• Procedimentales/Instrumentales(Saber hacer):

  CE_8. Capacidad para demostrar el conocimiento y comprensión
  de los hechos esenciales, conceptos, principios y teorías relacionados
  con las aplicaciones de la Mecánica Cuántica en la Química.
  CE_9. Resolución de problemas cualitativos y cuantitativos según los
  modelos estándar de la Química Cuántica.
  CE_10. Reconocer y analizar nuevos problemas y planear estrategias
  para solucionarlos desde un punto de vista mecanocuántico.
  CE_11. Manejar con soltura algunos de los programas estándar para el
  cálculo teórico de las propiedades moleculares
  CE_12. Reconocer las limitaciones de los programas citados en el punto
  anterior

• Actitudinales:

  CE_13. Capacidad de crítica y autocrítica
  CE_14. Capacidad de generar nuevas ideas

Objetivos

- En primer lugar, ampliar los conocimientos elementales de Química Cuántica
adquiridos en el curso de Química Física General, HACIENDO HINCAPIE EN LOS
ASPECTOS DE LA MECANICA CUANTICA MAS RELEVANTES EN EL CAMPO DE LA
ESPECTROSCOPIA DE ATOMOS Y MOLECULAS.
- En segundo lugar, explicar con algún detalle los fundamentos del cálculo
teórico de las propiedades de átomos y moléculas por métodos de la Química
Cuántica.
- Por último, aplicar los citados métodos al tratamiento de algunos problemas
químicos representativos, extraídos preferentemente del campo de la
espectroscopía.

Programa

Tema 1.-  Introducción: La ecuación de Schrödinger
1.1 Espectroscopia y Mecánica Cuántica. Componentes de las moléculas.
1.2 Tipos de espectroscopia. Color de los electrones.
1.3 Ecuación de las ondas materiales
1.4 Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo
1.5 Valores medios e incertidumbres
1.6 Unidades Atómicas

Tema 2.- Sistemas monodimensionales
2.1 La partícula libre. Estados degenerados
2.2 Partícula en una caja. Niveles de energía
2.3 Pozos de potencial cuadrados. Potenciales periódicos.
2.4 Oscilador armónico

Tema 3.- Una axiomática de la Mecánica Cuántica
3.1 Axiomática de la Mecánica Cuántica (Introducción)
3.2 Postulados I, II y III: Estática de la Mecánica Cuántica
3.3 Postulado IV: Evolución de los sistemas mecanocuánticos
3.4 Postulado V: Bases ortonormales

Tema 4.- Resolución aproximada de la ecuación de Schrödinger
4.1 El método variacional: Fundamento y aplicación en sistemas simples.
4.2 Combinación lineal de funciones de base.
4.3 Método de Perturbaciones.
4.4 El Programa UCA-ESM

Tema 5.- Espectros de Rotación pura
5.1 Modelos moleculares usados en el campo de la espectroscopía.
5.2 Sistemas con potencial central y coordenadas polares.
5.3 Sistemas con dos partículas y masa reducida.
5.4 Ecuación de Schrödinger en coordenadas polares. Separación de las variables.
5.5 El rotor rígido y la espectroscopia de rotación pura.
5.6 Estados de rotación de las moléculas poliatómicas

Tema 6.- Espectros de vibración-rotación
6.1 Vibración en las moléculas diatómicas.
6.2 Anarmonicidad y acoplamiento vibración-rotación.
6.3 El oscilador armónico tridimensional.
6.4 Moléculas poliatómicas. Coordenadas Normales.
6.5 Coordenadas internas y coordenadas de simetría.

Tema7.- Espectros electrónicos I: Átomos hidrogenoides
7.1 Átomos Hidrogenoides. Ecuación radial: Estados ligados y estados de colisión.
7.2 Niveles de energía y degeneración de los estados ligados.
7.3 Funciones propias de la energía. Orbitales hidrogenoides.
7.4 Orbitales hidrogenoides reales e híbridos.
7.5 Representaciones gráficas de los orbitales H-oides.
7.6 Tamaño del átomo de hidrógeno. Concepto de radio atómico
7.7 Espectro de los átomos hidrogenoides.

Tema 8.- Intensidad de las líneas espectrales
8.1 Ondas electromagnéticas
8.2 Resumen de la teoría clásica de la radiación
8.3 Coeficientes de Einstein. Fundamento del LASER
8.4 Radiación en la mecánica de Schrödinger: Transiciones espontáneas.
8.5 Radiación en la mecánica de Schrödinger:Transiciones inducidas.

Tema 9.- Espectros de resonancia magnética
9.1 Átomo en un campo magnético
9.2 Espín electrónico. Teoría de Pauli
9.3 Estructura fina del espectro de los átomos hidrogenoides
9.4 Espín nuclear. Espectroscopia de RMN

Tema 10.- Espectros electrónicos II: Átomos polielectrónicos
10.1 Separación de variables: Modelo de electrones independientes
10.2 La aproximación orbital: Orbitales de Hartree
10.3 Orbitales no autoconsistentes (Slater, Clementi…)
10.4 Propiedades atómicas: Ionización, electronegatividad, Radios atómicos,
polarizabilidad
10.5 El espín en los sistemas polielectrónicos
10.6 Estados excitados de los átomos. Espectros atómicos

Tema 11(*).- Funciones de onda de las moléculas
11.1 Separación de movimientos electrónicos y nucleares
11.2 Soluciones exactas del sistema H2+
11.3 Soluciones aproximadas en el sistema H2+
11.4 Moléculas polielectrónicas
11.5 Cálculos en moléculas diatómicas
11.6 Cálculos en moléculas diatómicas

Tema 12(*).- Métodos Autoconsistentes y Correlación Electrónica.
12.1 Ecuaciones de Hartree-Fock
12.2 Ecuaciones de Roothaan
12.3 Funciones de Base e integrales moleculares
12.4 Sistemas con electrones desapareados
12.5 Correlación electrónica: Métodos CI, MP y DFT

(*).- Los últimos temas se imparten en el laboratorio.

Actividades

Prácticas de cálculo teórico de propiedades atómicas y moleculares con
ordenador, en grupos de unos 15 alumnos, 16 horas repartidas en cinco sesiones
por grupo, con el siguiente contenido:

1.- PRIMERA SESIÓN:
Práctica 1: Introducción al GAUSSIAN. Calculo de las propiedades del átomo de
hidrógeno y de la molécula-ión de hidrógeno.

2.- SEGUNDA SESIÓN:
Práctica 2: Cálculo de propiedades atómicas con GAUSSIAN (Atomos
polielectrónicos). Determinación de energías de ionización, radios atómicos y
polarizabilidades.

3.- TERCERA SESIÓN:
Práctica 3: Cálculo de propiedades moleculares con GAUSSIAN (Moléculas
diatómicas). Determinación del potencial internuclear, la distancia de enlace, la
frecuencia de vibración y otras propiedades.

4.- CUARTA SESIÓN:
Práctica 4: Cálculo de propiedades moleculares con GAUSSIAN (Moléculas
poliatómicas). Determinación de la geometría, coordenadas normales y de las
propiedades termoquímicas de un gas formado por moléculas poliatómicas.

-Como trabajo final, se requiere la realización de un estudio químicocuántico
de las propiedades de una molécula individualizada, y de las propiedades de todos
los átomos que la
componen mediante el programa GAUSSIAN.

Metodología

Un 50% de la carga lectiva consiste en clases teóricas apoyadas en el texto
de teoría que se cita en "Recursos bibliográficos"
Un 25% consiste en clases de problemas apoyadas en el texto de problemas que
se cita en "Recursos bibliográficos".
El 25% restante se refiere a unas prácticas de laboratorio de cálculo teórico
de propiedades moleculares, realizadas directamente con ordenador si el número
de alumnos lo permite, o en seminarios en los que se discutirán resultados de
este tipo de cálculos, si el número de alumnos fuera superior a las
posibilidades del laboratorio.

Distribución de horas de trabajo del alumno/a

Nº de Horas (indicar total): 180

• Clases Teóricas: 30  
• Clases Prácticas: 15+15 (problemas+informatica)  
• Exposiciones y Seminarios:  
• Tutorías Especializadas (presenciales o virtuales):
  • Colectivas:  
  • Individules:  
• Realización de Actividades Académicas Dirigidas:
  • Con presencia del profesorado:  
  • Sin presencia del profesorado:  
• Otro Trabajo Personal Autónomo:
  • Horas de estudio: 180  
  • Preparación de Trabajo Personal: 40  
  • ...
     
• Realización de Exámenes:
  • Examen escrito: 1  
  • Exámenes orales (control del Trabajo Personal): 7  

Técnicas Docentes

Criterios y Sistemas de Evaluación

Tres exámenes parciales de tipo cuestionario y un examen final.
El examen final constará de cuestionario de teoría (40% de la nota), problemas
(40% de la nota) y temas de desarrollo (20% de la nota).
Un 10% de la calificación corresponde a las notas de clase, y un 20% de la
calificación corresponde a la realización de una memoria de prácticas
individual.

Recursos Bibliográficos

El texto mas adecuado para estudiar esta asignatura es:
FERNANDEZ, M. , RIUS, P., C. FERNANDEZ y D. ZORRILLA:
“Elementos de Mecánica Cuántica Molecular”
Universidad de Cádiz, 2ª edición  (2002)

Los problemas propuestos en el curso, junto a algunos otros parecidos, se
encuentran resueltos en:
FERNANDEZ, M. , C. FERNANDEZ, D. ZORRILLA y M.C. EDREIRA:
“Problemas de Mecánica Cuántica Molecular”
Universidad de Cádiz  (2001)

Para ampliar, resultan especialmente recomendables:

DE CARACTER GENERAL:

BERTRAN, J., BRANCHADEL, V., MORENO, M. Y SODUPE, M.:
"Química Cuántica"
Ed. Síntesis, Madrid 2000

PANIAGUA, J.C. Y ALEMANY, P.:
"Química Quántica"
Llibres de l'Index, Barcelona 1999
(está escrito en catalán, pero se entiende bien y es muy recomendable)

LEVINE, I.N.   "Química Cuántica"
Prentice-Hall, Madrid 2001

AVERY, J.      "Teoría Cuántica de Atomos, Moléculas y Fotones"
Alhambra, Madrid 1975

FERNANDEZ, M.  "Unidades Didácticas de Química Cuántica"
UNED, Madrid 1991


LOWE, J.P.     "Quantum Chemistry"
Academic Press, New York 1978



DE CARACTER MAS ESPECIALIZADO:

CHRISTOFFERSEN, R.E.
"Basic Principles and Techniques of
Molecular Quantum Mechanics"
Springer-Verlag, Berlín 1989

DAUDEL, R.; LEROY, G.; PEETERS, D. y SANA, M.:
"Quantum Chemistry"
John Wiley, N. York 1983

CARSKY, P. y URBAN, M.
"Ab-Initio Calculations"
Springer-Verlag, Berlín 1980

HERE, W.J.; RADOM, L.; SCHEILER, P.V. y POPLE, J.A.
"Ab-Initio Molecular Orbital Theory"
John Wiley, N. York 1986

SADLEJ, J.
"Semiempirical Methods of Quantum Chemistry"
Ellis Horwood, N. York 1985