CURSO : Fisico Quimica Avanzada TRADUCCION : Advanced Physical Chemistry SIGLA : QPG3101 CREDITOS : 25 UC / 15 SCT MODULOS : 3 REQUISITOS : No aplica CONECTOR : No Aplica RESTRICCIONES : 100401 - Doctorado En Quimica CARACTER : Minimo TIPO : Catedra CALIFICACION : Estandar PROFESORES : Dr. Alejandro Toro-Labbe, Dr. Angel Leiva, Dra. Paulina Pavez, Dr. Denis Fuentealba DISCIPLINA : Quimica I.DESCRIPCION El curso abarca contenidos fundamentales de la Quimica Fisica incluyendo aspectos relevantes de la Quimica Cuantica, Termodinamica, Cinetica y Fotoquimica. Se estudian metodos avanzados y se entregan herramientas de analisis en Quimica Computacional, Sistemas Macromoleculares, Mecanismos de Reaccion y Fluorescencia, entre otros. II.OBJETIVOS 1. Comprender los aspectos de la Quimica Fisica en todas en sus cuatro areas fundamentales. 2. Analizar las aplicaciones de la Quimica Fisica en aplicaciones avanzadas. 3. Desarrollar conocimientos en metodos y tecnicas avanzadas de la Quimica Fisica. III.CONTENIDOS UNIDAD I: QUIMICA CUANTICA 1. Bases de la Quimica Cuantica. 1.1 La ecuacion de Schrodinger. 1.2 Postulados de la mecanica cuantica. 1.3 Operadores y Conmutadores. 1.4 Principio de Incertidumbre de Heisenberg. 2. Resolucion de la Ecuacion de Schrodinger en Sistemas Modelo. 2.1 Particulas en cajas 1D, 2D y 3D. 2.2 Estados cuanticos y niveles de energia. 2.3 Simetria y degeneracion de estados. 2.4 Puntos cuanticos (Quantum dots). 2.5 El atomo de hidrogeno. 2.6 Atomos polielectronicos. 3. Moleculas. 3.1 Separacion de Born-Oppenheimer. 3.2 Teoria de orbitales moleculares. 3.3 Analisis de la funcion de onda. 3.4 Metodos en quimica cuantica computacional. 3.5 Estructura y reactividad. 4. Interacciones Moleculares. 4.1 Tipos de interacciones: corto, medio y largo alcance. 4.2 Expansion multipolar de la densidad electronica. 4.3 Energias de interaccion electrostatica, de induccion y de dispersion. 4.4 Potenciales de interaccion. 4.5 Potencial de Lennard-Jones. 5. Metodos de Simulacion. 5.1 Breve introduccion a la Mecanica Estadistica. 5.2 El factor de Boltzmann. 5.3 Metodo Monte Carlo (MC) 5.4 Mecanica clasica. 5.5 Metodo de Dinamica Molecular. UNIDAD II: TERMODINAMICA 1.Resumen de termodinamica 1.1 Leyes de la Termodinamica 1.2 Criterios de equilibrio y espontaneidad 1.3 Ecuaciones de Gibbs y relaciones de Maxwell 1.4 Potencial quimico y transiciones de fase en sustancias puras 2. Sistemas de mas de un componente 2.1 Soluciones ideales 2.2 Desviaciones de la idealidad 2.3 Potencial quimico y propiedades molares parciales 2.4 Actividad y coeficientes de actividad 2.5 Soluciones de electrolitos 3. Soluciones macromoleculares 3.1 Macromoleculas 3.2 Caracterizacion de macromoleculas 3.3 Termodinamica de soluciones macromoleculares UNIDAD III: CINETICA QUIMICA 1. Cinetica quimica. 1.1 Velocidad de reaccion. 1.2 Ley de velocidad. 2. Expresiones de ley de velocidad integradas. 2.1 Reacciones de primer orden 2.2 Reacciones de segundo orden, Tipo I 2.3 Reacciones de segundo orden, Tipo II 2.4 Reacciones de tercer orden 2.5 Reacciones de orden n 2.6 Reacciones de segundo orden auto-cataliticas 3. Metodos de determinacion del orden de la reaccion. 3.1 Metodo del tanteo 3.2 Metodo diferencial 3.3 Metodo aislacion 3.4 Metodo de la vida media 3.5 Metodo de velocidades iniciales 3.6 Metodo de Guggenheim 4. Reacciones complejas. 4.1 Reacciones paralelas de primer orden, tipo I 4.2 Reacciones paralelas de primer orden, tipo II 4.3 Reacciones paralelas de segundo orden 4.4 Reacciones consecutivas de primer orden 4.5 Reacciones reversibles 4.6 Reaccion consecutiva con una reversible 4.7 Reaccion consecutiva con un equilibrio 4.8 Reaccion en equilibrio con una reversible 4.9 Reaccion reversibles consecutivas 5. Efecto de Temperatura sobre la constante de velocidad. 5.1 Ecuacion de Arrehnius 5.2 Ecuacion Eyring 5.3 Teoria estado de transicion 6. Efecto Disolvente sobre la constante de velocidad. 6.1 Parametros empiricos para definir efecto de disolvente 6.2 Reglas de Hughes-Ingold 6.3 Parametros de Kamlet y Taft 7. Cinetica quimica en sistemas compartimentalizados. 7.1 Reacciones de sustitucion nucleofilica UNIDAD IV: FOTOFISICA Y FOTOQUIMICA 1. Introduccion 1.1. La naturaleza de la luz. 1.2. Absorcion de luz y rendimientos cuanticos. 1.3. Teoria de orbitales moleculares. 2. Absorcion de luz y estados excitados 2.1. Reglas de seleccion de transiciones electronicas. 2.2. Principio de Franck-Condon. 2.3. Diagrama de Jablonski. 2.4. Relajacion vibracional, desactivacion no radiativa, decaimiento radiativo, regla de Kasha. 2.5. Efectos de solvente y temperatura. 2.6. Ejemplos naftaleno, benzofenona, porfirina, RuBiPy, semiconductors. 3. Reacciones en estados excitados 3.1. Consideraciones geometricas, momento dipolar. 3.2. Reacciones de transferencia electronica y de protones en estado excitado. 3.3. Formacion de excimeros y exciplejos. 3.4. Sistemas multicomponente. 4. Fluorescencia y anisotropia 4.1. Fluorescencia, corrimiento de Stokes. 4.2. Autoabsorcion, emision Raman, errores comunes. 4.3. Efecto de la longitud de onda de excitacion, rigidez molecular, del substituyente. 4.2. Anisotropia de fluorescencia. 4.5. Actividad practica: Espectros de absorcion y emision de una muestra. 5. Apagamiento de estados excitados 5.1. Reacciones bimoleculares, apagamiento dinamico y estatico, Stern-Volmer. 5.2. Mecanismos de fotosensibilizacion. 5.3. Upconvertion. 5.4. Mecanismos de transferencia de energia. 6. Instrumentacion para fotofisica y fotoquimica 6.1. Fuentes de luz (lamparas, lasers, Ti:saphire) 6.2. Filtros, monocromadores 6.3. Angulo de medicion, front-face 6.4. Efecto de filtro interno 6.5. Rendimientos cuanticos de emision 6.6. Espectroscopia de absorcion transiente 6.7. Single photon counting 7. Aplicaciones 7.1. Estudios de asociacion a proteinas 7.2. Fotoisomerizacion, fotocromismo, fotosintesis artificial, rotores inducidos por la luz, fotoliberacion de drogas, nanoparticulas, etc. IV.METODOLOGIA Este curso consta de cuatro modulos independientes, cada uno de ellos es coordinado por un profesor del area perteneciente al claustro academico de doctorado. Las metodologias empleadas pueden variar en los diferentes modulos y estas incluyen a) clases expositivas tradicionales; b) desarrollo de problemas de investigacion por parte del estudiante; c) discusiones cientificas en torno a temas especificos. d) trabajos de laboratorios; e) formulacion, desarrollo y comunicacion oral y escrita de proyectos de investigacion originales. V.EVALUACION Pruebas escritas, tareas, proyectos y/o seminarios, los cuales tienen diferente evaluacion por modulo. Para cada modulo, tipicamente una prueba escrita se pondera con un 50 % y otras actividades (seminarios, tareas, proyectos, etc.) contribuyen con el otro 50 % de la nota del modulo. La nota final es el promedio de las notas por modulo. VI.BIBLIOGRAFIA UNIDAD I: QUIMICA CUANTICA Minima 1. Ira N. Levine, Quantum Chemistry, Pearson, 2014. 2. Christopher J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry, Wiley, 2004. Complementaria 3. Frank Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 2017. 4. Donald A. McQuarrie, John D. Simon, Physical Chemistry: A Molecular Approach, University Science Books,1997. 5. Mark E. Tuckerman, Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation, Oxford, 2012. UNIDAD II: TERMODINAMICA Minima 1.Ira N. Levine Fisico Quimica Volumen 1 2.Atkins Fisico Quimica 3.E. Abuin, E Lissi. M. Paez, M.S. Urrutia Fisico Quimica Tomo 1 UNIDAD III: CINETICA QUIMICA Minima 1. Moore, J.W., El mundo de la quimica: conceptos y aplicaciones. Pearson Educacion, 2000. 2. Lissi, E., Fisicoquimica Tomo III. Ed. Universidad de Santiago, 2008. 3. Atkins, P.W., Physical Chemistry. New York : W. H. Freeman, 2010. Complementaria 1. Reference and Research Book News, Vol.26(5). An introduction to chemical kinetics. Ringgold Inc, 2011. 2. Mortimer, M., Chemical kinetics and mechanism. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry: the Open University, 2002. 3. Gordon, B.S., Introduction to chemical kinetics. New York: Academic Press. 1974. UNIDAD IV: FOTOFISICA Y FOTOQUIMICA Minima: 1. Vincenzo Balzani, Paola Ceroni, Alberto Juris, Photochemistry and Photophysics: Concepts, Research, Applications, Wiley-VCH, 2014. 2. P. Klan, J. Wirz, Photochemistry of Organic Compounds: From Concepts to Practice, 1? Ed., Wiley, 2009. 3. Joseph R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3? Ed., Springer, 2006. Complementaria: 4. Grazyna Stochel, Malgorzata Brindell, Wojciech Macyk, Zofia Stasicka and Konrad Szacilowski, Bioinorganic Photochemistry, 1? Ed., Wiley, 2009. 5. Nicholas J. Turro, Modern Molecular Photochemistry, University Science Books, 1991.