QUÍMICA COMPUTACIONAL

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: 1^er 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.

– Que los graduados posean y comprendan los conceptos, métodos y resultados más importantes de la Química Computacional, con perspectiva histórica de su desarrollo.

– Que sean capaces de reunir e interpretar datos, información y resultados relevantes, obtener conclusiones y emitir informes razonados en problemas científicos, tecnológicos o de otros ámbitos que requieran el uso de conocimientos de la Química Computacional.

– Que puedan aplicar tanto los conocimientos teóricos- prácticos adquiridos como la capacidad de análisis y de abstracción en la definición y planteamiento de problemas y en la búsqueda de sus soluciones tanto en contextos académicos como profesionales.

– Que tengan capacidad de comunicar, tanto por escrito como de forma oral, conocimientos, procedimientos,

resultadose ideas en Química Computacional tanto a un público especializado como no especializado.

– Que sean capaces de estudiar y aprender de forma autónoma, con organización de tiempo y recursos nuevos conocimientos y técnicas en cualquier disciplina científica o tecnológica.

3.2. Competencias específicas.

Aspectos principales de terminología químico computacional, nomenclatura, convenios y unidades.

Estudio de los elementos químicos y sus compuestos.

Estructura y reactividad.

Evaluación de p

 ropiedades de los compuestos orgánicos, inorgánicos y órganometálicos.

 Relación entre propiedades macroscópicas y propiedades de átomos y moléculas individuales: incluyendo macromoléculas (naturales y sintéticas), polímeros, coloides y otros materiales.

Capacidad para demostrar el conocimiento y comprensión de los hechos esenciales, conceptos, principios y teorías relacionadas con la Química Computacional.

Resolución de problemas según modelos previamente desarrollados.

Interpretación de datos de Química Computacional.

Relación

 entre teoría y experimentación.

Reconocer y analizar nuevos problemas y planear estrategias para solucionarlos.

3.3. Competencias transversales.

- Instrumentales.

Capacidad de análisis y síntesis.

Capacidad de organización y planificación.

Conocimiento de una lengua extranjera.

Resolución de problemas.

Toma de decisiones.

– Personales.

Trabajo en equipo.

Trabajo en un equipo de carácter interdisciplinar.

Trabajo en un contexto internacional.

Habilidades en las relaciones interpersonales.

Razonamiento crítico.

Compromiso ético.

– Sistémicas.

Aprendizaje autónomo.

Adaptación a nuevas situaciones.

Creatividad.

Liderazgo.

Motivación por la calidad.

Sensibilidad hacia temas medioambientales.

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, 2^nd Edition, John Wiley & Sons (1999).

4.2.2. Complementaria.

- P.W. Atckins, R.S. Friedman, Molecular Quantum Mechanics, 3^a 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, 3^a 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, 3^a 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 1^a, 2^a y 3^a 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.