Estrutura Atómica e Molecular

Código:

Q2012

Sigla:

Q2012

Nível:

200

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Química

Ocorrência: 2023/2024 - 2S

Ativa?	Sim
Página Web:	http://moodle.up.pt/course/view.php?id=663
Unidade Responsável:	Departamento de Química e Bioquímica
Curso/CE Responsável:	Licenciatura em Química

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
L:Q	31	Plano estudos a partir do ano letivo 2016/17	2	-	6	48	162
			3

Língua de trabalho

Português - Suitable for English-speaking students

Objetivos

O grande objetivo desta unidade curricular é a formação fundamental na área da Mecânica Quântica e o desenvolvimento da capacidade de aplicar os conceitos adquiridos em situações práticas úteis na Química (por exemplo, previsão de espectros de infra-vermelho de moléculas).

Essencialmente, perceber a importância e utilidade da Mecânica Quântica no que respeita à previsão e explicação de fenómenos físico-químicos e o seu contributo para o desenvolvimento de diversas aplicações tecnológicas.

Resultados de aprendizagem e competências

No final deste curso o estudante deve:
 
1. compreender a necessidade sentida pelos físicos do início do Séc. XX de ultrapassarem as limitações da Mecânica de Newton. 
2. compreender os princípios básicos da Mecânica Quântica numa linguagem elementar. 
3. saber interpretar e manipular as expressões quantitativas relativas ao efeito fotoelétrico e à interpretação de Einstein. 
4. saber escrever os operadores da energia cinética e potencial e construir a equação de Schrödinger para os sistemas suscetíveis de solução exata. 
5. conhecer bem o significado de amplitude de probabilidade, de densidade de probabilidade e o fenómeno da interferência quântica. 
6. compreender bem o comportamento das soluções para o problema de uma partícula numa caixa unidimensional, interpretando a resposta da solução às alterações de alguns parâmetros como massa da partícula e comprimento da caixa; deve interpretar corretamente o papel do número quântico.
7. saber escrever a equação de Schrödinger para um rotor rígido e interpretar as soluções desta equação e relacioná-las com os níveis de energia respetivos.
8. saber escrever a equação de Schrödinger para um oscilador harmónico e interpretar as soluções desta equação e relacioná-las com os níveis de energia respetivos. 
9. saber escrever a equação de Schrödinger para o átomo de hidrogénio e compreender o conjunto das suas soluções nas suas componentes radial e angular e respetivos valores da energia. 
10. saber construir a equação de Schrödinger para o átomo de hélio e compreender, nas suas linhas mais gerais, a estrutura eletrónica nos átomos polieletrónicos. 
11. compreender as características gerais da estrutura eletrónica dos átomos e a ligação desta ao espectro eletrónico. 
12. compreender de forma elementar os espectros vibracionais de moléculas.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Química I 
Física I e II
Matemática I e II
Métodos Estatísticos

Programa

1. Dificuldades da Física pré-quântica na descrição de certos fenómenos. 

1.1. Introdução 

1.2. Radiação do corpo-negro 

1.3. Hipótese da quantização da energia 

1.4. Dualidade onda-partícula 

   2. A linguagem da Mecânica Quântica (M.Q.). 

2.1. Introdução - Operadores e outros tópicos matemáticos 

2.2. Equação de Schrödinger; Hamiltoniano e Função de Estado 

2.3. O Princípio de Incerteza de Heinsenberg 

2.4. Interpretação de Born da Função de Estado 

2.5. Características gerais de uma Função de Estado 

2.6. Postulados da M.Q. 

2.7. O modelo da “Partícula na Caixa”

2.7. Os modelos da “Partícula no Anel" e "Partícula na Esfera”

   3. Átomo de Hidrogénio 

3.1. Revisão das suas propriedades e estrutura eletrónica. 

3.2. Relacionamento dessas propriedades com as soluções encontradas pela M.Q. 

3.3. Regras de seleção nas transições eletrónicas 

3.4. Spin eletrónico 

3.5. Acoplamento spin-orbital 

3.6. Estrutura fina do espectro de emissão 

3.7. Diagramas de Grotrian 

   4. Átomos polieletrónicos 

4.1. Aproximação orbital 

4.2. Revisão das propriedades e estrutura eletrónica (energias orbitais, energia eletrónica total, configuração eletrónica, energia de ionização, afinidade electrónica) e variação ao longo da tabela periódica.

4.3. Impossibilidade de soluções analíticas da equação de Schrödinger 

4.4. Soluções apresentadas pela M.Q. 

4.5. Modelos para a resolução numérica equação de Schrödinger 

4.6. Correlação eletrónica 

4.7. Transições eletrónicas 

4.8. Termos eletrónicos 

   5. Estrutura Molecular 

5.1. Aproximação de Born-Oppenheimer 

5.2. Curvas, superfícies e hipersuperfícies de energia potencial 

5.3. Teoria das Orbitais Moleculares 

5.4. Modelo de combinação linear de orbitais atómicas (LCAO) 

5.5. Molécula de H2+ 

   6. Espectroscopia 

6.1. Interacção entre matéria e radiação eletromagnética 

6.2. Espetros vibracional e rotacional 

6.3. Aplicações da espetroscopia em química e astrofísica.

Bibliografia Obrigatória

Atkins Peter William, 1940-; Physical chemistry. ISBN: 0-19-850101-3
Peter Atkins, Julio De Paula; Physical Chemistry: Thermodynamics, Structure, and Change, 2014. ISBN: ISBN-10: 1429290196

Bibliografia Complementar

Peter W. Atkins, Ronald S. Friedman; Molecular Quantum Mechanics, 2010. ISBN: 9780199541423

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

- Apresentação teórica convencional das matérias ilustrando-se, sempre que possível, com aplicações práticas/tecnológicas. 

- Resolução de exercícios com oportunidades para discutir as soluções. 

- Trabalhos experimentais onde o estudante deve tomar nota dos resultados. 

Trabalhos práticos:
I - Efeito fotoeléctrico (montagem laboratorial)
II - Partícula na caixa (programa de computador)
III - Espectro atómico de emissão do hidrogénio (montagem laboratorial)
IV - Espectros atómicos de emissão de átomos polieletrónicos (montagem laboratorial)
V - Estudo quântico de vibrações moleculares (programa de computador).

- Apresentação oral de um trabalho experimental.

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	60,00
Prova oral	15,00
Teste	25,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	114,00
Frequência das aulas	48,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

Para obtenção de frequência: 
1- o número de faltas não deve exceder 1/4 das aulas práticas previstas. 
2- realização de pelo menos 3 dos 5 trabalhos práticos. 

Fórmula de cálculo da classificação final

A nota final é uma média pesada de duas partes: 

Parte I- Avaliação contínua (40%), dada por: 
(i) Apresentação oral de um trabalho prático (15% ) 
(ii) dois mini-testes (25%) 

Parte II – Exame final (60%) 

(Classificação mínima requerida no exame teórico: 7 valores)

Provas e trabalhos especiais

A avaliação contínua, que contabiliza 40% para a nota final, é atribuída com base nos seguintes elementos: 
(i) Curta apresentação oral que resuma um dos trabalhos práticos realizados. (15%) 
(ii) Realização de 2 mini-testes de 50 minutos (25%)

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Os trabalhadores estudantes podem optar por uma avaliação prática alternativa que consiste na realização de um trabalho prático a sortear de entre os realizados ao longo do semestre e elaboração do respetivo relatório. 

Melhoria de classificação

Só pode ser feita melhoria da componente teórica da classificação, através da realização de um exame de melhoria de nota em época de exames própria.