Dades generals

Curs acadèmic:
2009
Descripció:
Fonaments de la Mecànica Quàntica; Estructura electrònica dels àtoms i les molècules. Simetria Molecular.
Crèdits:
8
Idioma principal de les classes:
Català
S’utilitza oralment la llengua anglesa en l'assignatura:
Gens (0%)
S’utilitzen documents en llengua anglesa:
Poc (25%)

Grups

Grup A

Durada:
Semestral, 2n semestre
Professorat:
JOSEP MARIA LUIS LUIS  / SILVIA SIMON RABASEDA

Competències

  • Conèixer les característiques dels diferents estats de la matèria i els models teòrics que els descriuen
  • Conèixer els principis de la mecànica quàntica i les seves aplicacions a la descripció de l’estructura i les propietats dels àtoms i les molècules
  • Conèixer la cinètica dels canvis químics, incloent la catàlisi, i la seva aplicació a la interpretació mecanística de les reaccions químiques
  • Capacitat de demostrar els coneixements adquirits i la comprensió dels seus fets essencials: conceptes, principis i teories
  • Capacitat d’aplicar els coneixements adquirits a la resolució de problemes comuns tant de naturalesa qualitativa com quantitativa
  • Capacitat d’avaluar, interpretar i sintetitzar dades i informació química
  • Capacitat d’anàlisi i resolució de problemes, tant de naturalesa qualitativa com quantitativa
  • Capacitat per utilitzar eines informàtiques com internet, processadors de text, fulls de càlcul, bases de dades i programes específics del camp de la Química
  • Capacitat per aprendre, necessària per continuar el propi desenvolupament professional
  • Capacitat d’anàlisi i síntesi
  • Capacitat d’organització i planificació
  • Capacitat per prendre decisions

Altres Competències

  • Aprendre a utilitzar els fonaments teòrics de la química quàntica per explicar i predir els fenòmens químics que es troben en el laboratori.
  • Capacitat d’utilitzar les Matemàtiques i la Física per solucionar problemes químics.
  • Aprendre a desenvolupar una branca de la ciència a partir d’una base axiomàtica, utilitzant el mètode científic per qüestionar la validesa dels axiomes o postulats.
  • Aprendre quina és la utilitat dels models en l’estudi dels sistemes químics.
  • Aprendre a diferenciar entre la descripció determinista d’un sistema i la descripció probabilística.
  • Aprendre quan és necessari utilitzar un mètode aproximat.
  • Conèixer la impossibilitat de descriure el món microscòpic utilitzant la Física Clàssica.
  • Conèixer la importància que té en el món microscòpic la dualitat ona – partícula i la quantització de l’energia.
  • Aprendre a treballar amb operadors.
  • Conèixer els postulats de la Mecànica Quàntica.
  • Entendre la descripció quàntica de l’àtom de hidrogen.
  • Conèixer quina és la definició rigorosa d’orbital hidrogenoide i com es pot obtenir la seva energia.
  • Aprendre quina informació conté la funció densitat de probabilitat, i com es pot obtenir.
  • Conèixer els experiments que posen de manifest l’existència de l’espín així com la seva formulació fenomenològica utilitzant operadors.
  • Conèixer les diferències entre el mètode variacional i el mètode de pertorbacions.
  • Entendre la descripció quàntica de l’àtoms polielectrònics.
  • Conèixer que en el cas d’àtoms polielectrònics o molècules els orbitals només són eines per construir la funció d’ona del sistema.
  • Aprendre a construir el Hamiltonià i plantejar l’Equació de Schrödinger per a qualsevol sistema químic.
  • Aprendre a construir una funció d’ona antisimètrica per qualsevol sistema químic polielectrònic.
  • Aprendre quina és la justificació física que explica perquè algunes transicions electròniques són possibles i altres no.
  • Aprendre el significat i nomenclatura dels termes i nivells energètics d’àtoms i molècules.
  • Entendre la descripció quàntica de les molècules.
  • Aprendre els fonaments de la Teoria dels Orbitals Moleculars i com s’aplica per determinar la funció d’ona de les molècules.
  • Aprendre els fonaments de la Teoria de l’Enllaç de València i com s’aplica per determinar la funció d’ona de les molècules.
  • Aprendre a utilitzar la Simetria molecular per predir el valor d’algunes propietats moleculars i simplificar el càlcul de la seva funció d’ona.
  • Aprendre a interpretar els diagrames de Walsh.
  • Conèixer el mètode de Hückel i les aproximacions en què es basa.
  • Aprendre els fonaments del mètode del camp autocoherent per calcular la funció d’ona d’un sistema químic.
  • Conèixer l’origen de la correlació electrònica.

Continguts

1. Orígens de la mecànica Quàntica 0 Conceptes previs. 0.1 Equipartició de l’energia. 1.1 Fracassos de la física clàssica 1.1.1 La radiació del cos negre 1.1.2 La hipòtesi i llei de distribució de Planck 1.1.3 Capacitat calorífica dels sòlids 1.1.4 Espectres atòmics i moleculars 1.2 Dualitat ona partícula 1.2.1 Efecte fotoelèctric 1.2.2 Efecte Compton 1.2.3 Experiment de Davisson-Germer 1.2.4 La hipòtesi de Louis de Broglie 1.3 Principi d’incertesa de Heisenberg 1.3.1 Definició de operadors i commutadors

2. Mecànica quàntica: postulats, operadors, funcions d’ona i sistemes senzills. 2.1 Notació bracket de Dirac 2.2 Postulats de la mecànica quàntica. 2.2.1 Primer postulat: correspondència estat - funció d’ona. 2.2.2 La interpretació de Born de la funció d’ona. 2.2.3 Segon postulat: correspondència observable - operador. 2.2.4 Tercer postulat: Correspondència observables - valors propis. 2.2.5 Quart postulat: valors i funcions pròpies del hamiltonià. 2.2.6 Cinquè postulat: determinació dels valors esperats 2.3 Aplicació de la Mecànica Quàntica a sistemes senzills 2.3.1 Solució de les equacions diferencials lineals homogènies de segon ordre 2.3.2 La partícula lliure viatjant en una dimensió 2.3.3 Partícula en una caixa quàntica monodimensional 2.3.4 Partícula en una caixa bidimensional 2.3.5 Partícula en una caixa quàntica tridimensional 2.3.6 L’oscil·lador harmònic 2.3.7 L’efecte túnel en l’oscil·lador harmònic quàntic 2.3.8 Teorema del virial 2.3.9 El rotor rígid. Moment angular.

3. Estructura electrònica I: Àtom d’hidrogen i àtoms hidrogenoides 3.1 Plantejament de l’Equació de Schrödinger 3.2 Els orbitals atòmics i les seves energies 3.2.1 Orbitals atòmics 3.2.2 Energies dels orbitals atòmics 3.2.3 Definició de capes i subcapes 3.2.4 Expressió dels orbitals com a funcions reals 3.2.5 Forma dels orbitals 3.2.6 Funció densitat de probabilitat 3.2.7 Funció densitat de probabilitat radial 3.2.8 Spin electrònic 3.2.9 Acoblament spin-òrbita 3.2.10 Transicions espectrals i regles de selecció 3.3 Unitats atòmiques

4. Mètodes aproximats de resolució de l’equació de Schrödinger 4.1 Mètode variacional 4.1.1 Teorema d’Eckart 4.1.2 Aplicació del Mètode variacional 4.1.3 Mètode dels multiplicadors de Lagrange 4.1.4 Mètode variacional lineal 4.2 Mètode de pertorbacions per estats no degenerats 4.2.1 Aplicació del mètode de pertorbacions

5. Estructura electrònica II: Àtoms polielectrònics 5.1 Hamiltonià dels àtoms polielectrònics 5.2 Aproximació orbital 5.3 Principi d’antisimetria i d’exclusió de Pauli 5.4 Productes de Hartree 5.5 Determinant de Slater 5.6 Principi de construcció cap amunt “Aufbau Prinzip” 5.7 Correlació de spin o de bescanvi i multiplicitat de spin 5.8 Acoblament spin-òrbita 5.9 Regles de Hund 5.10 Termes i nivells energètics 5.10.1 Definició i Nomenclatura 5.10.2 Determinació 5.11 Regles de selecció 5.12 Efecte Zeeman 5.12.1 Efecte Zeeman normal 5.12.2 Efecte Zeeman anòmal

6. Estructura electrònica molecular I: Molècules diatòmiques 6.1 Equació de Schrödinger molecular 6.2 Aproximació de Born-Oppenheimer 6.2.1 Equació de Schrödinger electrònica 6.2.2 Equació de Schrödinger nuclear 6.3 Teoria de l’enllaç de valència 6.3.1 Configuració electrònica d’una molècula diatòmica segons la TEV 6.4 Teoria dels Orbitals Moleculars TOM 6.4.1 Combinació lineal d’orbitals atòmics (CLOA) 6.4.2 Orbitals enllaçants 6.4.3 Orbitals antienllaçants 6.4.4 Càlcul de l’energia dels orbitals moleculars 6.5 Molècules polielectròniques 6.5.1 Molècules homonuclears del primer període, H2 i He2. 6.5.2 Molècules homonuclears del segon període: Li2, Be2, B2, C2, N2, O2, i F2. 6.5.3 Configuració electrònica de les molècules diatòmiques 6.5.4 Ordre d’enllaç 6.5.5 Paritat dels O.M. de les molècules homonuclears 6.5.6 Nomenclatura dels termes de les molècules diatòmiques 6.5.7 Regles de selecció 6.5.8 Molècules diatòmiques heteronuclears: Enllaç covalent polar 6.5.9 Energies i coeficients dels O.M. d’una molècula diatòmica heteronuclear

7. Simetria Molecular 7.1 Operacions i elements de simetria 7.2 Classificació de les molècules en grups puntuals de simetria 7.3 Determinació de propietats les molècules a partir del seu grup puntual de simetria 7.3.1 Polaritat 7.3.2 Quiralitat 7.4 Taules de multiplicació 7.5 Representació matricial de les operacions de simetria 7.6 Taules de caràcters 7.7 Descomposició de representacions reductibles en suma directe de representacions irreductibles 7.8 Aplicació de la simetria a la mecànica quàntica 7.8.1 Càlcul d’integrals 7.8.2 Regles de selecció 7.9 Combinació lineals adaptades a la simetria (CLAS)

8. Estructura electrònica molecular II: Molècules poliatòmiques 8.1 Molècules AH2: Diagrames de Walsh 8.2 Aproximació de Hückel 8.2.1 Aplicació del mètode de Hückel a l’etè 8.2.2 Butadiè 8.2.3 Aromaticitat 8.2.4 Aplicació de la simetria molecular per simplificar l’equació secular 8.2.5 Molècules orgàniques insaturades amb àtoms diferents del C 8.2.6 Orbitals frontera i índexs estàtics de reactivitat

Activitats

Tipus d’activitat Hores amb professor Hores sense professor Total
Altres 2 0 2
Classes expositives 52 25 77
Exposició dels estudiants 0 4 4
Prova d'avaluació 7 65 72
Resolució d'exercicis 20 15 35
Tutories 2 0 2
Total 83 109 192

Bibliografia

  • Atkins, P. W. (Peter William), 1940-, De Paula, Julio (2002). Atkins' physical chemistry (7th ed.). Oxford [etc.]: Oxford University Press. Catàleg
  • Levine, Ira N., González Ureña, Ángel (2004). Físicoquímica (5ª ed.). Madrid: McGraw-Hill. Catàleg
  • Raff, Lionel M. (cop. 2001). Principles of physical chemistry. Upper Saddle River: Prentice Hall. Catàleg
  • Atkins, P. W (1998). Physical chemistry (6th ed). Oxford [etc.]: Oxford University Press. Catàleg
  • Atkins, P. W, Friedman, Ronald (2005). Molecular quantum mechanics (4th ed). Oxford: Oxford University Press. Catàleg
  • Levine, Ira N (1977). Química cuántica. Madrid: AC. Catàleg
  • Levine, Ira N (1993). Fisicoquímica (3ª ed). Madrid [etc.]: McGraw-Hill. Catàleg

Avaluació i qualificació

Activitats d'avaluació:

Descripció de l'activitat Avaluació de l'activitat %
Examen parcial dels temes 1-3 (70% teoria + 30% problemes):
Dia 10-13 de Març
15% de la nota final (total 115%)
Examen parcial dels temes 4-6 (70% teoria + 30% problemes):
Dia 21-24 de Abril
15% de la nota final (total 115%)
Examen parcial dels temes 7 i 8 (70% teoria + 30% problemes): Dia 19-22 de Maig 15% de la nota final (total 115%)
Presentació de problemes 5% del total (115%)
Examen final de la primera convocatoria dels temes 1-8 (70% teoria + 30% problemes): Dia 29 de Maig 65% de la nota final (total 115%)
Examen final de la segona convocatoria dels temes 1-8 (70% teoria + 30% problemes): Dia 23 de Juny (100-x)% de la nota final, on x són les activitats d'avalució continuada aprovades.

Qualificació

* En totes les proves avaluables es valora especialment el coneixement de la base teòrica la química quàntica i la capacitat de l’alumne per aplicar-la a problemes reals.
* En primera convocatòria el 50% de la nota ve donada per les activitats que formen part de l’avaluació continuada, i el 65 % restant fins arribar a un total de 115% per l’examen final.
* En segona convocatòria només es tindrà en compte les qualificacions d’aquelles activitats de l’avaluació continuada on l’alumne assoleixi el criteris mínims. El % de la nota final associat a les activitats no assolides per l’alumne s’afegirà al % de l’examen final. Per exemple, en el cas que l’alumne tingui una nota superior en
totes les activitats menys en dos examens parcials, en segona
convocatòria el seu examen final determinarà el 65% de la nota final.
* Els exàmens d’avaluació continuada i l’examen final seran proves escrites que contindran tant preguntes de teoria (70%) com problemes (30%). Es valorarà la completesa de la resposta, la profunditat d’anàlisis, l’argumentació, el contingut i la redacció. L’única diferència entre l’examen final i els exàmens d’avaluació
continuada és que en el primer s’avaluarà tot el programa de l’assignatura, mentre que en el segons s’avaluarà només una part.
* En el treballs individuals i col·lectius es valorarà, la profunditat d’anàlisis, l’originalitat, l’argumentació, el contingut, la redacció i la presentació.
* En els problemes individuals i col·lectius es valorarà especialment el procés per arribar al resultat, i en menor grau el resultat.
* En totes les activitats realitzades de manera col·lectiva s’haurà d’especificar quins elements són fruits de la discussió entre els membres del grup, i com s’ha portat a terme la cooperació entre alumnes per realitzar l’activitat.

Observacions

Recomano i encoratjo a tots els alumnes a participar activament en totes les activitats docents. Els coneixements i competències que s’han d’adquirir per assolir els mínims requerits en aquesta assignatura, són molt més fàcils d’assimilar si es treballa l’assignatura des del primer dia. També recomano utilitzar des del primer dia les hores de tutoria amb el professor de teoria i els professors de problemes per resoldre qualsevol dubte o comentari sobre el desenvolupament de l’assignatura, incloent aspectes no acadèmics. També aconsello que els alumnes participin activament a les classes de teoria i problemes, tant preguntat sobre qualsevol concepte que no s’hagin explicat de manera prou clara, com realitzant comentaris per millorar el desenvolupant de l’assignatura. Un punt d’especial importància és el procés d’avaluació continuada. Les dades estadístiques dels anys anteriors mostren que les activitats d’avaluació continuada són una eina clau per obtenir una bona qualificació de l’assignatura.

La major part del contingut de teoria de l’assignatura es pot trobar a web a l’adreça http://iqc.udg.es/~josepm/docencia/qf/, i molt de material relacionat amb les classes de problemes es troba a l’adreces http://iqc.udg.es/~mts/docencia/qf/qf.html i http://iqc.udg.es/~eduard/QF/. Tot aquest material també estarà penjat a la pàgina de l’assignatura en la ‘Meva UdG’. Es recomana portar a classe impreses les transparències de teoria per poder seguir la classe amb més facilitat, evitant la necessitat de transcriure el material mostrat amb el canó. Altres adreces on hi ha material molt relacionat amb el programa de l’assignatura són les pàgines docent del prof. Emili Besalú (http://iqc.udg.es/~emili/docent/qf/qf_temes.html) i les pàgines docents del prof. Pedro Salvador (http://iqc.udg.es/~perico/docencia/QF/index.html ).

Assignatures recomanades

  • Enllaç químic i estructura de la matèria I
  • Enllaç químic i estructura de la matèria II
  • Mètodes matemàtics aplicats a la química