Fisicoquímica
Moderna Molecular (2004 en adelante)
Fisicoquímica II - Módulo de Estructura y Propiedades Moleculares (EPM), 1999
- 2004.
A
continuación se brinda la información relativa al curso de Fisicoquímica Moderna Molecular a cargo del personal del Laboratorio de Química
Teórica y Computacional.
Objetivos
de aprendizaje
1)
Comprender los principios fundamentales que determinan las propiedades
y la reactividad de átomos y moléculas a nivel microscópico.
2) Comprender los procesos básicos que dan origen a los distintos
tipos de espectroscopía molecular.
3) Comprender las bases de la Termodinámica Estadística
como conexión entre la descripción microscópica
y macroscópica de la materia.
4) Adquirir habilidades relativas al análisis estructural de
moléculas y macromoléculas de interés Bioquímico.
5) Adquirir la capacidad práctica de modelar propiedades y
espectros moleculares e interpretar a nivel básico el significado
químico de los resultados obtenidos.
6) Integrar los nuevos conocimientos teóricos y prácticos
incorporados en el curso a una situación real concreta.
7) Incorporar el acceso de información calificada disponible
en Internet al estudio de problemas relacionados con el modelado computacional
de moléculas y macromoléculas.
Programa
|
CONTENIDO TEORICO
Bolilla 1.- La estructura atómica
y molecular a nivel microscópico: Introducción y Principios
para el tratamiento del mundo atómico. (2 clases)
1.1. Rol de la ecuación de Schrödinger en el estudio
microscópico de átomos y moléculas. Operadores
de energía cinética y potencial.
1.2. Interpretación de Born de la función de onda. Información
contenida en la función de onda.
1.3. Postulados de la Mecánica Cuántica y principio
de incertidumbre de Heisenberg. Aplicación a un caso concreto.
1.4. Cuantización del movimiento en sistemas simples: a) Movimiento
traslacional: modelo de la partícula en un caja, degeneración
y efecto túnel. b) Movimiento vibracional: modelo del oscilador
armónico. c) Movimiento rotacional: modelo del rotor rígido
en dos y tres dimensiones. Armónicos esféricos. Cuantización
del momento angular. Concepto de Spin.
1.5. Forma y soluciones de la ecuación de Schrödinger
para átomos hidrogenoides. Concepto de orbital atómico,
su representación y relación con los números
cuánticos. Orbitales ocupados y virtuales. Degeneración
de estados.
Bolilla 2.- Estructura de átomos polielectrónicos
y moléculas poliatómicas. (6 clases)
2.1. Energías orbitales en átomos
polielectrónicos y su relación con los principios de
apantallamiento y penetración.
2.2. Resolución de la ecuación de Schrödinger para
atomos polielectrónicos mediante la aproximación de
Hartree-Fock. Método del campo autoconsistente SCF. Error de
correlación.
2.3. Relación entre los orbitales y la función de onda
polielectrónica: determinante de Slater. Conexión con
el principio de exclusión de Pauli. Multiplicidad de spin.
Funciones restringidas y no restringidas.
2.4. La aproximación de Born-Oppenheimer y el concepto de superficie
de energía potencial. Significado químico de los puntos
estacionarios sobre una superficie de energía potencial.
2.5. Grandes teorías para explicar la formación del
enlace químico y la estructura molecular: Teoría del
enlace de valencia y Teoría de Orbitales moleculares (método
LCAO). Tipos de Orbitales moleculares: clasificación en base
a la simetría y al carácter enlazante o antienlazante.
2.6. Métodos computacionales disponibles para el estudio de
la estructura molecular y propiedades: clásicos (Mecánica
Molecular) y cuánticos (ab initio SCF, semiempíricos,
post-HF y DFT). Análisis de las ventajas y limitaciones de
cada método.
2.7. Predicción de propiedades moleculares: estructura geométrica,
energías absolutas y relativas, separación entre orbitales
HOMO-LUMO, teorema de Koopmans y potenciales de ionización,
densidad electrónica total y de spin, cargas atómicas,
momento dipolar, potenciales moleculares electrostáticos.
Bolilla 3.- Espectroscopía Molecular.
(4 clases)
3.1. Teoría cuántica de
los espectros moleculares. Transiciones entre niveles de energía
y tipos de procesos posibles. Tipos de espectroscopía molecular.
3.2. Tratamiento de Einstein para la predicción de la intensidad
de las señales espectroscópicas. Momento dipolar de
transición. Transiciones permitidas y prohibidas. Reglas de
seleccción: origen y consecuencias.
3.3. Transiciones entre niveles rotacionales puros: Espectroscopía
de microondas. Distorsión centrífuga. Efecto Stark.
Espectroscopía Raman rotacional.
3.4. Transiciones entre niveles vibracionales: espectroscopía
infrarroja. Moléculas diatómicas y anarmonicidad. Moléculas
poliatómicas: modos normales de vibración.
3.5. Espectros rotovibracionales y ramas espectrales.
3.6. Transiciones entre niveles electrónicos: Espectroscopía
UV-Visible. Principio de Franck-Condon. Tipos de transiciones. Fenómenos
de emisión espontánea: fluorescencia y fosforescencia.
Métodos cuánticos que incluyen la correlación
electrónica.
3.7. Fundamentos de espectroscopía de resonancia magnética
(NMR y EPR). Interacción entre el momento angular de spin y
un campo magnético externo. Efecto del entorno químico.
Estructura fina de los espectros: constantes de acoplamiento y su
origen.
Bolilla 4. - Termodinámica Estadística.
(4 clases)
4.1. Nociones fundamentales. Interpretación
estadística de las propiedades termodinámicas. Concepto
de configuración dominante y peso estadístico.
4.2. Sistemas de partículas independientes: Distribución
de Maxwell-Boltzmann.
4.3. Funciones de partición. Interpretación y cálculo
de propiedades termodinámicas a partir de la función
de partición molecular. Ejemplos de aplicación a casos
concretos.
4.4. Definición estadística de la Entropía: fórmula
de Boltzmann
4.5. Concepto de Ensemble y función de partición canónica.
Relación entre la funciones de partición canónica
y molecular. Relación entre las principales funciones termodinámicas
y la función de partición canónica.
4.6. Contribuciones a la función de partición molecular:
componentes electrónica, vibracional, rotacional y traslacional.
Aproximaciones más frecuentes en su tratamiento.
4.7. Aplicaciones de la Termodinámica estadística: cálculo
de constantes de equilibrio químico. Formulación termodinámica
de la Teoría del Estado de Transición y cálculo
de constantes de velocidad.
CONTENIDO PRACTICO
Práctico 1
Acercamiento al proyecto del curso
e introducción de las herramientas informáticas de apoyo
al módulo (sitio web y foros) y al trabajo científico
de modelado (bases de datos bibliográficos y bases de datos
estructurales)
Práctica 2
Técnicas para visualización
y diseño de moléculas
Análisis de la estructura molecular en moléculas simples
y complejas.
Práctica 3
Modelado de la estructura detallada
de pequeñas moléculas.
Cálculo y visualización de Orbitales Moleculares con
Métodos Ab Initio.
Práctica 4
Comparación de métodos
clásicos y cuánticos en la predicción de estructuras
y energías.
Práctica 5
Interacciones no covalentes inter
e intramoleculares: enlace de hidrógeno. Construcción
de curvas de energía para el isomerismo rotacional.
Práctica 6
Propiedades moleculares que dependen
de la densidad electrónica en moléculas y macromoléculas.
Estudio de las propiedades electrostáticas en NMA, agua y proteínas.
Práctica 7
Estudio de la reactividad química
mediante el análisis
de superficies de energía potencial.
Práctica 8
Modelado Computacional de Espectros de Absorción:
Infrarrojo (IR) y UV-Visible.
Carga
horaria y frecuencia
|
4 horas semanales de
teórico (duplicado en horario vespertino cuando el número
de grupos prácticos a atender en evaluaciones orales lo permite);
2 horas semanales de problemas;
3 horas semanales de laboratorio práctico.
Curso curricular obligatorio, se dicta con frecuencia anual desde
1998.
Cronograma |
| Semana |
Clase Teórica |
Tema Teórico |
Resolución de Ejercicios |
Lab. Práctico Computacional |
| 1 |
1 |
Bolilla 1 |
Repartido
1 |
Prática 1 |
| 2 |
| 2 |
3 |
Bolilla 2 |
Prática 2 |
| 4 |
| 3 |
5 |
Repartido
2 |
Prática 3 |
| 6 |
| 4 |
7 |
Bolilla 3 |
Prática 4 |
| 8 |
| 5 |
9 |
Repartido
3 |
Prática 5 |
| 10 |
| 6 |
11 |
Prática 6 |
| 12 |
| 7 |
13 |
Bolilla 4 |
Repartido
4 |
Prática 7 |
| 14 |
| 8 |
15 |
Prática 8 |
| 16 |
| 9 |
PRUEBA PARCIAL
(para estudiantes que no exoneran el módulo en base a las
evaluaciones semanales). ENTREGA DEL INFORME FINAL DEL CURSO |
Evaluación |
a) Ganancia
del módulo: 1 control escrito en la semana 8, el cual puede
ser exonerado mediante la obtención de promedio suficiente
(y un máximo de 2 calificaciones insuficientes) en un total
de 7 discusiones orales semanales realizadas en subgrupos dentro del
horario de Laboratorio Práctico. (ver cronograma
de actividades del año en curso).
b) Examen final escrito organizado en dos partes separadas temporalmente.
La primera corresponde al módulo EPM y consiste en un total
de 6 preguntas teóricas sobre los fundamentos y aplicaciones
de la metodología estudiada en el curso que reúnen el
60% del puntaje. Para aprobar el examen es necesario obtener más
del 50% de los puntos disponibles en cada módulo (3/6 en EPM
y 2/4 en Electroquímica).
Preguntómetro y examenes en PDF: |
| |
Material
de apoyo|
Clases de Teórico en PDF: |
[ Teorico1].
Este material es demostrativo. El Lab. de Química Teórica
y Computacional entrega un CD-ROM con toda la información
del curso (teóricos incluido) a todos los inscriptos
formalmente en bedelia. Esta información esta también
accesible en el área reservada exclusivamente a los estudiantes
inscriptos a FQII [ Ingresar]. |
Prácticas de Laboratorio en PDF: |
[ Practica1].
Las demás prácticas están disponibles en
el área reservada exclusivamente a los estudiantes inscriptos
a FQII [ Ingresar]. |
|
Ejercicios de problemas en PDF: |
| [Repartido1]
Los demás repartidos están disponibles en el área
reservada exclusivamente a los estudiantes inscriptos a FQII [Ingresar]. |
Modelos e imágenes utilizadas
en el curso.
Bibliografía
|
Parte Teórica
P.W. Atkins, Physical Chemistry, 6ta Edición,
W. H Freeman & Co., 1998. Texto de base recomendado, contiene
casi todo el temario tratado en el curso, con excepción de
algunos aspectos de las Bolillas 2 y 3. Disponible en Biblioteca de
Facultad de Ciencias.
P.W. Atkins, R.S. Friedman, Molecular Quantum
Mechanics, 3ra Edición, Oxford University Press, 1997. (Libro
de apoyo recomendado para complementar las bolillas 2 y 3) disponible
en Biblioteca de Facultad de Ciencias.
F. Jensen. Introduction to Computational Chemistry.
John Wiley & Sons, 1999. Texto de nivel más avanzado, para
los curiosos en acceder a todo el tratamiento matemático. Disponible
en el LQTC.
Ira Levine. Quantum Chemistry, 5ta Edición,
Prentice Hall, 1999. Texto de profundización para los interesados
en una buena aproximación tanto física como química
de los temas. Disponible en el LQTC.
Parte Computacional
Hyperchem Getting Started, Hypercube Inc.,
1996
Clases de Ejercicios
J. R. Barrante,
Applied Mathematics for Physical Chemistry, 2nd Ed. Prentice-Hall,
1998. Texto recomendado para repasar aspectos matemáticos de
base requeridos para la resolución de ejercicios.
Actividades a distancia
|
Se está elaborando un proyecto
de educación semipresencial para los cursos de Fisicoquímica
II y Química General de la Licenciatura en Bioquímica,
Facultad de Ciencias. Por más información ir a la página
de la Licenciatura en Bioquímica: licbq.fcien.edu.uy
Inscripciones |
Las
inscripciones al curso se realizan en la bedelía de la Facultad
de Ciencias o a través de la sitio web de bedelias de la UdelaR:
www.bedelias.edu.uy
Docentes |
Teóricos:
Dra. Laura Coitiño
(responsable del equipo, Gr.4, DT)
Lic. Pablo Dans
Prácticos computacionales y clases de ejercicios:
Lic. Pablo Dans
Bach. Leonardo Darre
Bach. Leticia Couto
Bach. Santiago Signorelli
Bach. Ari Zeida
Discusiones orales:
Dra. Laura Coitiño
