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FACULTAD DE QUÍMICA Grado en Química 4º Curso QUÍMICA COMPUTACIONAL Guía Docente
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FACULTAD DE QUÍMICA Grado en Química 4º Curso
QUÍMICA COMPUTACIONAL Guía Docente
Guía Docente. Curso 2013-14
1. Datos descriptivos de la materia. Carácter: Optativo
Convocatoria: 1er cuatrimestre
Créditos: 4.5 ECTS
Profesora:
Berta Fernández Rodríguez
Catedrátrica del Departamento de Química Física
CIQUS
Clases expositivas: 1 Grupo. Temas 1-2
Clases de computación: 1 Grupo. Prácticas 1-5
Tutorías: 2.
Idiomas: Castellano, gallego, inglés.
2. Situación, significado e importancia de la materia en el
ámbito de la titulación.
2.1. Módulo al que pertenece la materia en el Plan de Estudios.
Materias con las que se relaciona.
Módulo 9: Química Avanzada. Principalmente se relaciona con la
asignatura de Química Física I (módulo 3), donde se presentan los
principios de la Química Cuántica. Tiene especial relevancia para
comprender la parte teórica de otras materias del módulo 9, como
la de Métodos Espectroscópicos o las relacionadas con la
reactividad, estructura y propiedades de moléculas y agregados
moleculares (Mecanismos de Reacción en Química Orgánica,
Reactividad en Química Inorgánica,…).
2.2. Papel que juega este curso en ese bloque formativo y en el
conjunto del Plan de Estudios.
La base de esta asignatura es la Química Cuántica, importante
para poder entender todo tipo de problemas químicos desde un
punto de vista teórico. Se estudiará esta teoría y se llevarán a cabo
un considerable número de aplicaciones que le permitirán al
alumno conocer los programas y métodos más utilizados para
realizar cálculos computacionales de propiedades moleculares y
reactividad química, actualmente imprescindibles para contrastar
y predecir resultados de forma rigurosa y más rápida y barata que
la experimental. La asignatura es un complemento fundamental de
todas las de Química Física, Química Orgánica e Inorgánica.
2.3. Conocimientos previos (recomendados/obligatorios) que los
estudiantes han de poseer para cursar la asignatura.
Haber superado las asignaturas previas de Química Física,
especialmente la de Química Física I, junto con las de Física y
Matemáticas del primer curso del Grado (Matemáticas I y II,
Física I y II).
3. Objetivos del aprendizaje y competencias a alcanzar por el
estudiante con la asignatura.
3. 1. Objetivos del aprendizaje.
- Adquisición de conocimientos sobre los métodos químico-
computacionales.
- Utilización del paquete informático más extendido para cálculos
computacionales (Gaussian).
3.1. Competencias generales.
- Manejar los conceptos, métodos y resultados de la Química
Computacional.
- Resolución de problemas químico-computacionales:
Planteamiento del problema, capacidad de llevar a cabo la
selección del método más apropiado para la resolución del
mismo, análisis de los resultados obtenidos y presentación y
defensa de los mismos.
3.2. Competencias específicas.
- Conocer las bases y limitaciones de los principales métodos
teóricos para llevar a cabo cálculos químico-computacionales.
- Poder resolver problemas relativos a la determinación de
propiedades moleculares, propiedades de interacción y reactividad
química, utilizando la metodología químico-computacional.
- Adquirir los conocimientos básicos que permitan la posterior
profundización en el estudio de temas químico-computacionales.
- Disponer de los conocimientos necesarios para la comprensión
de la base cuántica detrás de las diferentes áreas de la Química
(Física, Inorgánica, Orgánica, Biológica,…).
3.3. Competencias transversales.
- Poder trabajar en grupo en la resolución de problemas y en la
exposición de resultados y temas relacionados con la materia.
- Poder relacionar los conocimientos adquiridos con los
provenientes del estudio de otras materias.
4. Contenidos del curso.
4.1. Epígrafes del curso:
Tema 1. Introducción a la Química Computacional. Fundamentos
de Mecánica Cuántica.
Tema 2. Estructura Electrónica. Método Hartree-Fock.
Boletines de problemas propuestos:
Boletín 1. Fundamentos de Mecánica Cuántica.
Boletín 2. Estructura Atómica y Molecular.
Programa de prácticas de Computación:
Práctica 1. Herramientas informáticas básicas para la Química
Computacional. Métodos computacionales y bases de cálculo.
Práctica 2. Optimización geométrica de moléculas.
Práctica 3. Cálculo de propiedades moleculares y de interacción.
Práctica 4. Dinámica Molecular. Estudio computacional de la
reactividad química. Cálculo de magnitudes termoquímicas.
Práctica 5. Estudio computacional de estados excitados.
Actividad Tutorías:
Boletines de problemas 1 y 2.
4.2. Bibliografía recomendada
4.2.1. Básica.
- I. N. Levine, Química Cuántica, 5ª Ed., Pearson Educación
(2001).
- C. J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry, John
Wiley & Sons (2002).
- F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, 2nd Edition,
John Wiley & Sons (1999).
4.2.2. Complementaria.
- P.W. Atckins, R.S. Friedman, Molecular Quantum Mechanics,
3a Ed., Oxford Univ. Press (1997).
- P.W. Atkins, R.S. Friedman, Solutions Manual for Molecular
Quantum. Oxford Univ. Press (1997).
- A. Szabo, N.S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry.
Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, Dover
Pub., Inc. (1996).
4.2.3. Avanzada.
- T. Helgaker, P. Joergensen, J. Olsen, ‘Molecular Electronic-
Structure Theory’, John Wiley & Sons (2000).
- J. Simons, J. Nichols, Quantum Mechanics in chemistry, Oxford
Univ. Press (1997).
- J. B. Foresman, Æleen Frisch, Exploring Chemistry with
Electronic Structure Methods, 2ª Ed., Gaussian, Inc. (1995-96).
Tema 1. Introducción a la Química Computacional.
Fundamentos de Mecánica Cuántica.
1. Introducción.
Comenzaremos este tema con una introducción a la Química
Computacional. A continuación repasaremos los antecedentes
históricos de la Física Cuántica, para ya entrar en el estudio de sus
bases fundamentales. Finalizaremos con la introducción de los
métodos aproximados para la resolución de la ecuación de
Schrödinger. Este tema se desarrollará en 5 horas/lecciones.
2. Epígrafes del tema.
1.1. Introducción a la Química Computacional.
1.2. Antecedentes históricos de la Mecánica Cuántica. La
hipótesis de de Broglie. El principio de incertidumbre.
1.3. La ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. La
ecuación de Schrödinger independiente del tiempo.
1.4. Operadores.
1.5. Momento angular de espín.
1.6. Postulados de la Mecánica Cuántica.
1.7. Métodos aproximados.
2. Bibliografía.
- P.W. Atckins, R.S. Friedman, Molecular Quantum Mechanics,
3a Ed., Oxford Univ. Press (1997).
- I. N. Levine, Química Cuántica, 5ª Ed., Pearson Educación
(2001).
Actividades a desarrollar.
LECCIÓN 1.
Presentación (15 min.): La profesora introduce la Química
Computacional haciendo hincapié en su relación con otras áreas
de la Química. Se explicará el programa de contenidos a
desarrollar y describirá la metodología de enseñanza y evaluación,
aclarando cualquier duda que los alumnos puedan tener al
respecto.
Se continuará con el repaso de algunos conceptos matemáticos y
físicos esenciales para el estudio de la Mecánica Cuántica:
interacción eléctrica, mecánica clásica, movimiento ondulatorio y
la resolución de ecuaciones diferenciales. La profesora planteará
algunos ejercicios durante la exposición de la teoría.
LECCIÓN 2.
Después de repasar los antecedentes históricos de la Mecánica
Cuántica, llegaremos al establecimiento de sus bases, en términos
de la hipótesis de de Broglie y el principio de incertidumbre de
Heisenberg.
LECCIÓN 3.
Se introduce la Mecánica Cuántica mediante la ecuación de
Schrödinger dependiente del tiempo. A partir de ella y como caso
particular veremos la ecuación de Schrödinger independiente del
tiempo. Trataremos las condiciones que deben de cumplir las
soluciones aceptables y la interpretación de Born. Continuaremos
con el álgebra de operadores. Como complemento se proponen
los problemas 1b, 1d y 2 del boletín 1.
LECCIÓN 4.
Se introduce el momento angular de espín y resumen los
fundamentos de la Mecánica Cuántica estudiados a lo largo de
este tema mediante la formulación de los postulados. Problemas
1a, 1c y 1e del boletín 1.
LECCIÓN 5.
Se presentan las bases de los métodos aproximados:
variacionales, perturbacionales y de proyección (problemas 7 y 8,
boletín 1).
Test tema 1 (15 min.) Evaluación continua del tema 1.
Tema 2. Estructura Electrónica. Método Hartree-Fock.
1. Introducción.
En este tema trataremos a fondo las estructuras electrónicas
atómica y molecular, centrándonos sobre todo en la resolución y
análisis de las soluciones de la ecuación de Schrödinger dentro de
la metodología Hartree-Fock. Se estudiarán las aproximaciones de
Born-Oppenheimer y CLOA. Este tema se desarrollará en 5 horas.
2. Epígrafes del tema.
2.1. Ecuación de Schrödinger para un átomo hidrogenoide.
Orbitales atómicos.
2.2. Átomos con más electrones. Aproximación HF.
2.3. Molécula-ión H2+: aproximación de Born-Oppenheimer,
aproximación CLOA, orbitales Moleculares.
2.4. Moléculas con más electrones: aproximación de Born-
Oppenheimer, aproximación HF, aproximación CLOA.
3. Bibliografía
- P.W. Atckins, R.S. Friedman, Molecular Quantum Mechanics,
3a Ed., Oxford Univ. Press (1997).
- I. N. Levine, Química Cuántica, 5ª Ed., Pearson Educación
(2001).
Actividades a desarrollar.
LECCIÓN 1.
Abordaremos la resolución de la ecuación de Schrödinger para un
átomo hidrogenoide y estudiaremos las soluciones, comenzando
por los valores propios. Al tratar las funciones propias,
repasaremos el concepto de orbital atómico y estudiaremos las
posibles representaciones de éste. Haciendo uso de varios
ejemplos, aplicaremos el teorema del valor medio al cálculo de
propiedades atómicas. Finalizaremos el estudio de los átomos
hidrogenoides, considerando el espín del electrón.
LECCIÓN 2.
Comenzaremos el estudio de los átomos polielectrónicos
resolviendo la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo
para el átomo de He. Después de comentar las soluciones de la
ecuación utilizando la aproximación de despreciar la repulsión
interelectrónica, pasaremos a estudiar la aproximación de Hartree-
Fock. Considerando el principio de Pauli, introduciremos el espín
en las funciones de onda y llegaremos a definir el determinante de
Slater.
Estudiaremos la adición de momentos angulares, repasando los
conceptos de interacción espín-órbita, términos espectrales y
efecto Zeeman. Abordaremos el tratamiento Hartree-Fock de
átomos con más de dos electrones, extrapolando lo estudiado para
el átomo de He. Boletín de problemas n. 2 (problemas 1-5).
LECCIÓN 3.
Comenzaremos el estudio de la estructura electrónica de
moléculas con la aproximación de Born-Oppenheimer.
Llegaremos a plantear las ecuaciones de Schrödinger electrónica
y nuclear y veremos cómo se determinan de forma teórica la
geometría y la energía de disociación de una molécula.
LECCIÓN 4.
Analizaremos las soluciones (orbitales moleculares y energías) de
la ecuación de Schrödinger electrónica para el H2+ dentro de la
aproximación CLOA. Estudiaremos la resolución de la ecuación
de Schrödinger electrónica dentro de la metodología Hartree-Fock
y haciendo uso de la aproximación CLOA para otras moléculas
diatómicas. Las soluciones se tratarán en términos de diagramas
de orbitales moleculares y, a modo de ejemplos, se obtendrán las
configuraciones electrónicas y propiedades de algunas moléculas.
Comenzaremos tratando las heteronucleares, para pasar
posteriormente al estudio de las heteronucleares.
LECCIÓN 5.
Extenderemos los estudios precedentes al caso de moléculas
poliatómicas, utilizando como ejemplo la molécula de BeH2. Una
vez estudiadas las soluciones de la ecuación de Schrödinger (OM
canónicos y enegías), trataremos la transformación de estos
orbitales en OM localizados y repasaremos el concepto de
orbitales híbridos. Problemas 6 y 7 del boletín de problemas n. 2.
Test tema 2 (15 min.) Evaluación continua del tema 2.
Práctica 1. Herramientas informáticas básicas para la
Química Computacional. Métodos computacionales y bases de
cálculo.
En esta primera práctica (6 horas) la profesora introducirá el
programa de prácticas y se repasará la teoría base de la evaluación
teórica de propiedades moleculares, como geometrías, momentos
multipolares, energías de ionización y disociación, barreras
rotacionales y de reacción, etc. Se estudiarán los diferentes
métodos y bases de cálculo, introduciendo los métodos que
mejoran el Hartree-Fock, los semiempíricos y los de mecánica
molecular, junto con las bases mínimas, las de Pople y col. y las
de Dunning y col.
Los alumnos se familiarizarán con los comandos básicos
necesarios para el manejo de ficheros en el ordenador y estudiarán
la forma de preparar ficheros de entrada para el programa
Gaussian: formato, palabras clave principales, formas de dar la
geometría de la molécula (matriz Z, coordenadas internas.
coordenadas cartesianas). Se estudiará también el fichero de
salida del programa, centrándonos en las características
principales a tener en cuenta a la hora de analizar las soluciones.
(Ver Manual de Prácticas para más detalles).
Práctica 2. Optimización geométrica de moléculas.
Esta práctica se llevará a cabo en 4 horas y su objetivo es
aprender a determinar geometrías y energías electrónicas. Al
principio de la clase se repasará la teoría correspondiente a la
práctica. Los alumnos comenzarán llevando a cabo la
determinación de la curva de potencial para una molécula
diatómica (Parte 1), seguirán con la optimización geométrica de la
molécula de FOOF (Parte 2), y por último la evaluación de
energías conformacionales (Parte 3). Realizarán un cálculo de
frecuencias para aprender a caracterizar los puntos de las
superficies de potencial. Se pretende hacer uso de distintas bases
y métodos de correlación y comparar los diferentes resultados
entre sí.
(Ver Manual de Prácticas para más detalles).
Práctica 3. Cálculo de propiedades moleculares y de
interacción.
Esta práctica se llevará a cabo en 4 horas y su objetivo es realizar
la evaluación de propiedades moleculares y de interacción. La
profesora comenzará repasando la teoría correspondiente a la
práctica, para a continuación pasar los alumnos a calcular en la
molécula de HCCF y en el complejo de CO-He distribuciones de
cargas, momentos multipolares, polarizabilidades, etc.
(Ver Manual de Prácticas para más detalles).
Práctica 4. Dinámica Molecular. Estudio computacional de la
reactividad química. Cálculo de magnitudes termoquímicas.
Esta práctica se llevará a cabo en 5 horas y su objetivo es la
caracterización de puntos estacionarios de las superficies de
energía potencial y la obtención de caminos de reacción sobre las
mismas. Previamente se realizará una introducción a la dinámica
molecular. Se evaluarán propiedades termoquímicas (entalpía,
entropía, energía libre de Gibbs, etc.) con el programa Gaussian.
Al principio de la clase se repasará la teoría correspondiente a la
práctica.
(Ver Manual de Prácticas para más detalles).
Práctica 5. Estudio computacional de estados excitados.
Esta práctica se llevará a cabo en 5 horas y su objetivo es el
estudio computacional de estados excitados. Al principio de la
clase se repasará la teoría correspondiente. La práctica consta de
dos partes. En la primera se estudiarán los estados triplete y
singlete más estables de la molécula de oxígeno y en la segunda la
fluorescencia del acetaldehído.
(Ver Manual de Prácticas para más detalles).
5. - INDICACIONES METODOLÓGICAS Y ATRIBUCIÓN
DE CARGA ECTS.
5.1. Tiempo de estudio y trabajo personal.
TRABAJO PRESENCIAL EN EL
AULA
HORAS TRABAJO PERSONAL DEL
ALUMNO
HORAS
Clases expositivas 10 Estudio individual o en grupo 25
Tutorías en grupo muy
reducido
2 Preparación de presentaciones Orales y escritas.
10
Prácticas con ordenador 24 Preparación del trabajo computacional y elaboración de la memoria de las prácticas
20
Total horas trabajo presencial en el aula o en el laboratorio
36 Total horas trabajo personal del alumno
55
5.2. Actividades formativas en el aula con presencia del profesor
A) Clases expositivas en grupo grande: Lección impartida por
la profesora. Durante las clases de teoría la profesora expondrá el
tema correspondiente y planteará cuestiones relacionadas para que
los alumnos participen a lo largo de la exposición. Se propondrán
problemas para ser resueltos por los alumnos y ayuden en el
estudio de la materia.
La profesora contará con el apoyo de medios audiovisuales e
informáticos pero, en general, los estudiantes no necesitan
manejarlos en clase, aunque si quieren, tienen la posibilidad de
hacerlo. Estas clases seguirán los contenidos propuestos en esta
Guía Docente. La asistencia a estas clases no es obligatoria, pero
sí muy conveniente. Al final de los temas se llevarán a cabo
controles de seguimiento de la asignatura (15 min. aprox.) que se
utilizarán en la evaluación continua.
B) Clases prácticas con ordenador: Se incluyen aquí las clases
que tienen lugar en el aula de informática. En ellas el alumno
adquiere las habilidades propias de la parte aplicada de la
Química Computacional y consolida los conocimientos
adquiridos en las clases de teoría.
Para la realización de estas prácticas, el alumno dispondrá de un
Manual de Referencia, que incluirá una introducción al trabajo
con ordenador y, en particular su aplicación a los cálculos
computacionales, así como un guión de cada una de las prácticas
a realizar, que constará de una breve presentación de los
fundamentos teóricos de la práctica y la indicación de los cálculos
a realizar y resultados a presentar. El alumno deberá a acudir a
cada sesión de prácticas habiendo estudiado el contenido de este
manual. Al comenzar cada práctica, los alumnos responderán
durante 5 ó 10 minutos a unas cuestiones previas que la profesora
califica y tiene en cuenta para la nota de prácticas. Tras una
explicación de la profesora, el alumno realizará individualmente
las prácticas, y presentará al final de cada una de ellas los
resultados para ser evaluados.
La asistencia a estas clases es obligatoria. Las faltas deberán ser
justificadas documentalmente, aceptándose razones de examen y
de salud, así como aquellos casos contemplados en la normativa
universitaria vigente. La práctica no realizada se recuperará de
acuerdo con la profesora y dentro del horario previsto para la
asignatura.
C) Tutorías de pizarra: Tutorías programadas por la profesora y
coordinadas por el Centro. En ellas se resolverán las dudas sobre
la teoría y los ejercicios propuestos, contando con la participación
activa del alumno: entrega de ejercicios a la profesora, resolución
de ejercicios en el aula, etc. La asistencia a estas clases es
obligatoria.
5.3. Recomendaciones para el estudio de la materia.
- Es aconsejable asistir a las clases expositivas.
- Es importante mantener el estudio de la materia “al día”.
- Durante el estudio de un tema, es útil hacer un resumen de los
puntos importantes, identificando los conceptos y las ecuaciones
básicas, asegurándose de conocer tanto su significado como las
condiciones en las que éstas se pueden aplicar.
- La resolución de problemas es fundamental para el aprendizaje
de esta materia.
Puede resultar de ayuda seguir estos pasos: (1) Listar toda la
información relevante que proporciona el enunciado. (2) Listar lo
que se debe obtener. (3) Identificar los modelos y ecuaciones
necesarios para la resolución del problema y aplicarlos
correctamente. (4) Prestar atención a la coherencia de las
unidades. (5) Revisar la consistencia del resultado final.
- En las tutorías el alumno debe tener los problemas resueltos con
antelación y participar activamente.
- Es imprescindible la preparación de las prácticas antes de la
entrada en el aula de informática. Se debe comenzar repasando los
conceptos teóricos relevantes para cada una de ellas y, a
continuación, leer con atención el guión de la práctica, intentando
entender los objetivos y el desarrollo propuestos. Cualquier duda
que pudiera surgir deberá ser consultada con la profesora.
5.4. Calendario de actividades que van a realizar los alumnos a lo
largo del curso.
Los cambios que se efectúen respecto al calendario académico de
la Universidad (http://www.usc.es/gl/servizos/oiu) y al horario de las
clases publicado por la Facultad de Químicas
(http://www.usc.es/es/centros/quimica) se anunciarán en las clases y en el
aula virtual.
Horario de asistencia al alumnado y lugar:
Consultar aula virtual.
Lugar: Despacho n. 1, planta 2. CIQUS.
6. Sistema de evaluación.
La evaluación de esta materia se hará de forma continua y con la
realización de un examen final, estando condicionado el acceso al
examen a la participación en todas las actividades docentes
presenciales de asistencia obligatoria (prácticas con ordenador y
tutorías). Las prácticas de computación no realizadas por motivos
debidamente justificados intentarán recuperarse de acuerdo con la
profesora y dentro del horario previsto para la asignatura. La
profesora verificará la asistencia a las clases según el sistema de
control de asistencias oficial de la Facultad de Química. Las
ausencias deberán ser justificadas documentalmente.
La evaluación continua (N1) tendrá un peso del 30% en la
calificación de la asignatura y constará de tres componentes: tests
entregados al profesor en clases expositivas (10%), trabajo
realizado durante las tutorías (10%) y trabajo durante las prácticas
de computación (10%). Para la evaluación de las prácticas de
computación los items a evaluar serán los siguientes: test previo,
ejecución de la práctica y test final.
El examen final se realizará en el aula de informática e incluirá
tres partes. La primera consistirá en la presentación y defensa por
parte del alumno de un tema relacionado con la Química
Computacional. Previamente el alumno deberá de haber
entregado a la profesora un resumen del trabajo. La segunda parte
consistirá en la resolución de problemas y cuestiones relacionadas
con la teoría de la asignatura y en la tercera se plantearán
ejercicios computacionales similares a los llevados a cabo durante
las prácticas.
El peso de las partes 1a, 2a y 3a en la calificación del examen (N2)
será de 20, 40 y 40, respectivamente.
La calificación del alumno, que no será inferior a la del examen
final ni a la obtenida ponderándola con la nota de la evaluación
continua, se obtendrá cómo resultado de aplicar la fórmula
siguiente:
Nota final= máximo (0.3 x N1 + 0.7 x N2, N2)
Siendo N1 la nota numérica correspondiente a la evaluación
continua (escala 0-10) y N2 la nota numérica del examen final
(escala 0-10).
En todo caso, para aprobar la asignatura, será requisito
imprescindible tener la calificación de apto en las prácticas de
computación.
Los alumnos repetidores tendrán el mismo régimen de asistencia
a las clases que los que cursan la asignatura por primera vez.
6.1. Recomendaciones de cara a la evaluación.
El alumno debe estudiar la teoría presentada en cada tema,
utilizando el material puesto a su disposición en el aula virtual y
la bibliografía recomendada y aclarar todas las dudas que puedan
surgirle al respecto con la profesora o los compañeros de clase.
Posteriormente debe resolver problemas relacionados con la
teoría, comenzando por los propuestos en clase. El grado de
acierto en la resolución de los ejercicios propuestos proporciona
una medida de la preparación del alumno para afrontar el examen
final de la asignatura. Aquellos alumnos que encuentren
dificultades importantes a la hora de trabajar las actividades
propuestas deben de comentárselo a la profesora, con el objetivo
de que ésta pueda analizar el problema y ayudar a resolver dichas
dificultades.
6.2. Recomendaciones de cara a la recuperación.
La profesora prestará ayuda a los alumnos que no superen la
asignatura, estudiando con ellos las dificultades encontradas en el
aprendizaje de los contenidos y pudiendo proporcionarles material
adicional para reforzar el aprendizaje de la materia.
