PROYECTO DOCENTE E INVESTIGADOR - MALTA · PDF fileConcurso de Acceso Plazas de...

Concurso de Acceso

Plazas de Catedratico de Universidad

F027-755-DF00014-CU // F027-755-DF00015-CU

PROYECTO DOCENTE EINVESTIGADOR

Jose Manuel Recio Muniz

1 de Diciembre de 2010

Area de conocimiento de Quımica FısicaDepartamento de Quımica Fısica y Analıtica

Universidad de Oviedo

He tenido la fortuna de compartir muchısimas horas de trabajo con

personas extraordinarias desde el punto de vista intelectual y humano

que siempre me han tratado con respeto. Este texto lo he escrito te-

niendolos presentes

‘The pessimist borrows trouble, the optimist lends encouragement‘

Este documento contiene el Proyecto Docente y el Proyecto de Investigacion de acuerdo con el

Artıculo 16 del Reglamento para los concursos de acceso a los cuerpos de funcionarios docentes

universitarios de la Universidad de Oviedo (Boletın Oficial del Principado de Asturias del 14 de

enero de 2009), y con el punto 6 de las Bases de la convocatoria de la resolucion de 27 de Julio de

2010 de la Universidad de Oviedo por la que se convoca concurso de acceso a plazas de cuerpos

docentes universitarios (Boletın Oficial del Estado del 9 de Agosto de 2010).

Oviedo, 9 de diciembre de 2010

Una version en formato pdf de este documento, y de otros relativos a este concurso de acceso,

pueden consultarse en http://www.malta-consolider.com/personals/jmr/index.htm

Los abajo firmantes somos participantes de los proyectos CSD2007-00045 y CTQ2009-14596-C02-

02 y expresamos nuestro consentimiento a participar en el Proyecto de Investigacion de Jose Manuel

Recio Muniz presentado para el Concurso de Acceso a las Plazas de Catedratico de Universidad

de la Universidad de Oviedo F027-755-DF00014-CU y F027-755-DF00015-CU.

Fdo.: Manuel Florez Alonso Fdo.: Ruth Franco Alvarez-Urıa

Profesor Titular de Universidad Profesora Titular de Universidad

Fdo.: Miguel Angel Salvado Sanchez Fdo.: Pilar Pertierra Castro

Profesor Titular de Universidad Profesora Titular de Universidad

Fdo.: Jose Manuel Menendez Montes Fdo.: Miriam Marques Arias

Investigador Contratado (Univ. Oviedo) Investigadora Contratada (CSEC, UK)

Fdo.: Julia Contreras Garcıa Fdo.: David Abbasi Perez

Becaria Postdoctoral MEC (Duke Univ., USA) Becario FPI (Univ. Oviedo)

Oviedo, 9 de diciembre de 2010

Indice general

1. Introduccion 1

2. Proyecto Docente 5

2.1. Quımica Fısica. Contenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.1. Los libros de texto de Quımica Fısica como referencia del Proyecto Docente 13

2.1.2. Temario general de Quımica Fısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.2.1. Bloques e ındice reducido de las lecciones del Programa Teorico . 17

2.1.2.2. Bloques e ındice desarrollado de las lecciones del Programa Teorico 18

2.1.3. Indice de practicas del Programa Experimental . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1.4. Breve reflexion sobre el temario general de Quımica Fısica . . . . . . . . . 26

2.2. Quımica Fısica. El marco docente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.1. Universidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.1.1. El Espacio Europeo de Educacion Superior . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.1.2. Ensenanzas universitarias en Espana . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.2. Centro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.2.1. The Chemistry Eurolabels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.2.2. El Libro Blanco de Quımica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.2.2.3. El Grado en Quımica de la Facultad de Quımica de Oviedo . . . 55

2.2.3. Departamento y Area de Conocimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.2.3.1. Las Guıas Docentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

xi

2.2.3.2. Guıas Docentes de las asignaturas de Quımica Fısica del Grado en

Quımica de la Universidad de Oviedo . . . . . . . . . . . . . . . . 80

2.3. Proyecto Docente de Quımica Fısica en el Grado en Quımica de la Universidad de

Oviedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Bibliografıa 125

3. Proyecto de Investigacion 129

3.1. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.2. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.2.1. Motivacion y objetivos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.2.2. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.2.3. Interes actual en Quımica de Altas Presiones . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.2.4. Compresibilidad local y fenomenos de una sola fase . . . . . . . . . . . . . 137

3.2.5. Transiciones de fase en el contexto de la LCA . . . . . . . . . . . . . . . . 139

3.2.6. Grupos nacionales e internacionales en el campo de las altas presiones . . . 142

3.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

3.3.1. Hipotesis iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

3.3.2. Resultados previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

3.3.3. Objetivos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

3.4. Metodologıa y Plan de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

3.4.1. Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

3.4.2. Plan de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

3.5. Beneficios del proyecto, difusion y explotacion de resultados . . . . . . . . . . . . 163

3.6. Antecedentes del grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

3.7. Capacidad de formacion del proyecto y del grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

3.8. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

xii

Capıtulo 1

Introduccion

En este documento voy a presentar las lıneas generales y los aspectos concretos de un Proyec-

to Docente y de un Proyecto de Investigacion, cumpliendo ası con las directrices que rigen los

concursos de acceso a las plazas de Catedratico de Universidad en la Universidad de Oviedo.

Un proyecto es un plan de trabajo organizado para ser desarrollado en el corto y/o medio plazo.

Puede tener tambien vocacion de perdurar en un futuro mas lejano. Tiene que poder llevarse a la

practica y sus objetivos y todos los ingredientes del mismo deben ser por tanto realistas. A la hora

de plantear un proyecto nos encontramos, frecuentemente, bien con la tendencia a enumerar una

coleccion de propuestas generales y en cierto modo vagas, bien con la intencion de especificar hasta

el mas mınimo detalle. En la moderacion y en el uso racional de estas dos posibilidades antagonicas

se encuentra el exito de un proyecto fiable que llegue a buen termino. Debemos, obviamente, partir

de un contexto mas o menos general que sirva de marco para el desarrollo de una coleccion de

propuestas lo mas concretas posibles, pero teniendo en consideracion las logicas modificaciones

que la propia implantacion y evolucion del proyecto deben producir. Hay que tener perspectiva,

contar con los antecedentes, plantear acciones y tareas especıficas, ser flexibles y, vuelvo a repetir,

realistas. He intentado tener en cuenta todos estos aspectos a la hora de construir los dos proyectos

que aparecen en las paginas siguientes.

1

Hay grandes diferencias entre la manera de plantear el Proyecto Docente y el Proyecto de Investi-

gacion. El primero debe ajustarse a un marco normativo en el que se mueven muchos profesores,

estudiantes y personal de administracion y servicios. Las numerosas directrices y reglamentaciones

definen cada vez con mayor detalle los contenidos, los procedimientos de ensenanza, de aprendi-

zaje, de evaluacion, de calibracion de la calidad del proceso educativo, etc. Tanto mi estudio de

todas estas cuestiones, como los ejercicios de entendimiento de los mismos, han sido tareas de

relevancia que espero se hayan traducido de forma positiva en la elaboracion del Proyecto Docen-

te. En cambio, el Proyecto de Investigacion involucra, por lo general, a un conjunto reducido de

investigadores. Apoyado o no de forma fehaciente en logros precedentes, debe ser original, creativo

y buscar el avance en el conocimiento de conceptos fundamentales y/o de cuestiones que posi-

biliten aplicaciones practicas o tecnologicas. Ademas, aquı debe plantearse una correlacion entre

las tareas, las personas del equipo y la temporalidad, sin olvidarse de los aspectos economicos. El

Proyecto de Investigacion que presento mas adelante ha intentado conjugar todos estos factores.

El segundo capıtulo de este documento esta dedicado al Proyecto Docente. Esta concebido en

el contexto del nuevo ordenamiento educativo que surge en la Universidad de Oviedo con el

Espacio Europeo de Educacion Superior (EEES). Esta ha sido la primera decision de calado que

he tomado. Despues del perıodo de transicion en el que la titulacion de Quımica de la Universidad

de Oviedo (y de otras universidades espanolas) ha conocido dos planes de estudios en menos de

siete anos (Plan de 1994 y Plan de 2001), me parece razonable enfocar el Proyecto Docente a

las ensenazas de los grados y masters originados en el marco del denominado Plan de Bolonia.

Aunque me referire en mayor medida a la docencia de la Quımica Fısica en el Tıtulo de Grado en

Quımica de la Universidad de Oviedo, he intentado ser en cierto modo exhaustivo en este aspecto,

nombrando y dando al menos algun detalle de cada una de las asignaturas de todos los nuevos

grados en los que a dıa de hoy se imparte o hay previsiones de impartir contenidos de Quımica

Fısica. La implatacion de masters en la Univesidad de Oviedo esta, en el momento que se escribe

esta memoria, sufriendo un perıodo de cambios y propuestas todavıa no finalizado por completo.

El Master en Quımica Teorica y Computacional goza afortunadamente del reconocimiento de

2

las autoridades universitarias y se mantiene en la oferta actual (y futura) de la Universidad de

Oviedo, motivo por el cual me referire al mismo en el Proyecto Docente. Ası mismo, el Master en

Ciencia y Tecnologıa de Materiales incluye una asignatura con docencia asignada a nuestra area

de conocimiento.

El capıtulo 3 contiene mi propuesta de Proyecto de Investigacion. Esta basado en su mayor parte

en los dos proyectos activos hasta finales de 2012 de los que soy investigador responsable. Ambos

estan fuertemente relacionados y han sido concedidos por el Ministerio de Ciencia e Innovacion

dentro del Programa Nacional de Proyectos de Investigacion Fundamental del Plan Nacional de

I+D+i. El primero de ellos (CSD2007-00045) pertenece al Subprograma de Proyectos de Investiga-

cion Consolider y tiene como acronimo MALTA en referencia a Materia a alta presion. Reune

a mas de setenta cientıficos de cerca de doce instituciones de investigacion espanolas. El grupo de

la Universidad de Oviedo, del que soy investigador principal, esta compuesto por catorce investi-

gadores activos. El segundo de los proyectos (CTQ2009-15496-C02-02) pertenece al Subprograma

de Proyectos de Investigacion Fundamental no Orientada. Lleva por tıtulo Termodinamica y

cinetica de transiciones de fase en materiales cristalinos: modelos avanzados y simula-

ciones computacionales e involucra a siete investigadores de la Universidad de Oviedo y a una

investigadora postdoctoral externa que trabaja en el Center for Science at Extreme Conditions

(CSEC, The University of Edinburgh, Reino Unido). Como he indicado, seguire las pautas de las

memorias de estos dos proyectos en la elaboracion del Proyecto de Investigacion con el que finaliza

este documento.

3

Capıtulo 2

Proyecto Docente

El Proyecto Docente aparece dividido en dos grandes secciones mas un apartado final con reflexio-

nes y conclusiones principales. La primera seccion esta dedicada al contenido, la Quımica Fısica; la

segunda al continente, el contexto en el que se produce el hecho docente. Esta ordenacion obedece

a criterios personales, pues esta basada en mi preferencia por la materia objeto de ensenanza y

aprendizaje frente al marco formal en el que se tienen que desarrollar estas tareas. No se trata

de ensalzar o rebajar la importancia de una frente a la otra, simplemente elegir el modo en el

que me parece mas facil y adecuado presentar el Proyecto Docente. Entre las ventajas y a la vez

argumentos para defender esta eleccion esta la generalidad con la que entiendo esta dotada la

division en estos dos grandes bloques. La Quımica Fısica se puede presentar, si lo deseamos de

este modo, de forma independiente al momento actual, concreto y particular en el que se debe

implementar en las ensenanzas universitarias. Este caracter general permitirıa ademas la adecua-

cion de la materia a otros contextos educativos futuros. No obstante, contenido y forma no deben

representar aspectos completamente disjuntos, al menos en el contexto de un Proyecto Docente.

No he querido defender posturas maximalistas y la presentacion de los contenidos de la Quımica

Fısica estara salpicada de referencias al nuevo Espacio Europeo de Ensenanza Superior (EEES),

el ambito donde debemos desenvolvernos los docentes universitarios en los anos venideros.

5

No pretendo, ni me parece pertinente, llevar a cabo una labor enciclopedica sobre lo que es y lo

que no es Quımica Fısica, y menos aun sobre lo que ha sido o sera en el futuro. Me preocupa lo que

en la actualidad abarca la Quımica Fısica en las distintas titulaciones y ensenanzas universitarias.

Sabemos que todos los contenidos quımico fısicos no pueden ser impartidos a un estudiante del

Grado en Quımica, ni siquiera si anadiesemos las asignaturas de un subsiguiente Master generalis-

ta. Frente a este argumento, que apoya mi postura no enciclopedica, esta claro que tampoco parece

conveniente limitarse a considerar unicamente el espacio que las distintas titulaciones (fundamen-

talmente el Grado en Quımica) y los nuevos Masters contemplan para la Quımica Fısica. Pienso

que es bueno mantener una postura que de cuenta de estos dos aspectos. Por un lado, presentar la

Quımica Fısica sin el corse de los Planes de Estudio actuales. Por otro lado, no caer en posturas

idealistas con afanes extensivos (mas contenidos) e intensivos (nivel alto de profundidad) sobre la

materia. He encontrado una ayuda muy valiosa en los libros de texto como guıa por este camino

de doble carril. Para acercarme de una forma realista a la vez que practica a los contenidos de

nuestra area de conocimiento, he llevado a cabo una seleccion de unos cuantos textos de Quımica

Fısica que me parecen especialmente recomendables para practicamente la totalidad de las asig-

naturas asignadas al area de Quımica Fısica con la entrada en el EEES. He examinado con detalle

las lecciones del ındice de estos libros de referencia y mostrare, en la siguiente seccion, mi propio

ındice de lecciones de Quımica Fısica de acuerdo con las preferencias que he senalado.

Para abordar el marco del Proyecto Docente, he optado por presentar una secuencia que comience

con el Espacio Europeo de Educacion Superior, transcurra por el denominado Plan de Bolonia y

conduzca a la implementacion de la Quımica Fısica en la Universidad de Oviedo tanto en el Grado

en Quımica como en otras titulaciones. Hare referencia, aunque en menor medida (apenas alcanza

el 1 % del total de la docencia asignada al area de Quımica Fısica), a los estudios de Master. Esta

es la opcion, digamos estandar, de organizar en estos tiempos los estudios asociados a una parcela

de materia docente universitaria, area de conocimiento en este caso. En un afan por dotar a esta

parte de la memoria de una dosis de originalidad, ciertamente pequena, he decidido estructurar

el marco del Proyecto Docente en tres apartados: Universidad, Centro y Departamento. Los tres

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estan mutuamente imbricados y mantienen una dependencia digamos matrioscana, pero yo los he

querido tratar en pie de igualdad presentandolos como si se tratasen de niveles degenerados, con el

mismo grado de importancia. En el primero apareceran referencias al EEES y al Plan de Bolonia.

En el segundo, se tratara tambien con brevedad el Libro Blanco de Quımica y el nuevo Grado.

Por ultimo, el tercer nivel contiene informacion sobre las Guıas Docentes de las asignaturas de

Quımica Fısica en las que, entre otras cosas, se detallan aspectos didacticos sobre la docencia.

Me ha parecido pertinente incluir en este preambulo del Proyecto Docente la lista (ver Tabla 2.1)

de todas las asignaturas asignadas al area de Quımica Fısica de la Universidad de Oviedo en este

curso 2010-11. La docencia esta distribuida en tres campus: Oviedo, Gijon (Escuela Politecnica

de Ingenierıa, EPI, y Escuela Superior de la Marina Civil, ESMC) y Mieres (Escuela Politecnica,

EP). Aparece tambien la carga docente en los estudios de Master en los que nuestra area tiene

participacion. En total, suponen aproximadamente 3600 horas anuales de carga docente presencial,

contando las 45 horas destinadas al Master en Ciencia y Tecnologıa de Materiales (CTM) y al

Master en Quımica Teorica y Modelizacion Computacional (QTMC). El numero de profesores con

tareas a tiempo completo en el area de Quımica Fısica de la Universidad de Oviedo es de 24, por

lo que la ratio numero de horas por profesor es de 150. Por completar numeros, las reducciones

docentes de los profesores de nuestra area por investigacion (859 horas) y por otros motivos (259

horas) nos dejan con un exceso de profesorado que podrıa cubrir hasta casi 950 horas mas. Los

nuevos grados van a alterar obviamente estos numeros, aunque pienso que no de forma significativa,

y creo, por tanto, que esta informacion es util para conocer los ordenes de magnitud por los que

nos movemos en la confeccion del Proyecto Docente.

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Centro Titulacion Asignatura

Fac. de Quımica Grado en Quımica Quımica General

Operaciones Basicas de Laboratorio

Quımica Fısica I

Experimentacion en Quımica Fısica I

Licenciado en Quımica Quımica Fısica II

Experimentacion en Quımica Fısca

Quımica Fısica Avanzada I

Quımica Fısica Avanzada II

Termodinamica Estadıstica

Programacion y Calculo en Quımica Fısica

Quımica Cuantica I

Quımica Cuantica II

Laboratorio Avanzado de Quımica Fısica

Grado en Ing. Quımica Quımica Fısica

Ingeniero Quımico Experimentacion en Quımica II

Tabla 2.1: Docencia asignada al area de Quımica Fısica en el curso 2010-2011 en la Universidad de Oviedo

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EPI (Gijon) Grados en Ingenierıa Quımica

Ing. Tecnico Industrial Termodinamica Aplicada

Fundamentos de Quımica

Electroquımica y Qca. de Superficies

Ing. de Telecomunicacion Fundamentos de Quımica

ESMC (Gijon) Grados en Ingenierıa Quımica

EP (Mieres) Grados en Ingenierıa Quımica

Ingeniero Geologo Quımica

Fac. de Biologıa Grado en Biotecnologıa Tratamiento de Datos Experimentales

Termodinamica y Cinetica

Experimentacion en Biotecnologıa I

Experimentacion en Biotecnologıa II

Fac. de Ciencias Grado en Fısica Fundamentos de Quımica

Univ. Oviedo Master en CTM Tecnicas de Analisis y

Caracterizacion de los Materiales I

Master en QTMC Solid State Electronic Structure

Chemical Reactivity

Tabla 2.2: (continuacion)

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2.1. Quımica Fısica. Contenidos

La Quımica Fısica se encuadra dentro de la rama del saber en la que se encuentran las Ciencias

Experimentales. Esto es ası porque el objeto de la Quımica Fısica esta en hechos, fenomenos y

procesos que se presentan en la Naturaleza. Tambien se preocupa por los que se pueden producir

en el futuro y, de hecho, muchos estudios quımico fısicos estan dirigidos a explorar, por ejemplo,

comportamientos de nuevos materiales que de esta manera pueden ser sintetizados por primera vez.

En definitiva, los sistemas que estudia la Quımica Fısica son muy variados y solemos englobarlos

dentro del termino general de sistemas quımico fısicos. Un gas, una disolucion, los componentes

minerales de la corteza terrestre, un polımero, una pila galvanica, etc. son sistemas quımico fısicos;

como lo son tambien una molecula o la partıcula en la caja tridimensional. Aprovecho este ultimo

ejemplo para indicar que el apellido (¿o nombre?) ‘Fısica‘ de la Quımica Fısica introduce en su

ambito de estudio una clase de sistemas muy importante. Se trata de los sistemas modelo. Ası,

los sistemas objeto de la Quımica Fısica (voy a empezar a escribir QF), son los sistemas quımico

fısicos reales y tambien los sistemas ideales que describan adecuadamente, en unas condiciones

normalmente lımite, a los primeros.

Tradicionalmente, entendemos que la QF descansa en tres grandes pilares bien conocidos: la

Mecanica Cuantica, la Termodinamica Clasica y la Mecanica Estadıstica. El primero, y su aplica-

cion a los sistemas quımicos, la Quımica Cuantica, nos proporcionan el marco por el que se rige

el mundo microscopico de nucleos, electrones, atomos y moleculas. El segundo, y su aplicacion

a los sistemas quımicos, la Termodinamica Quımica, nos muestran como se racionalizan las pro-

piedades observables de los sistemas macroscopicos. Bajo la perspectiva del criterio microscopico

entendemos que estas propiedades observables son el resultado de las interacciones entre los nu-

merosos (del orden del numero de Avogadro) atomos y moleculas del sistema, que a su vez son

consecuencia, fundamentalmente, de la estructura electronica de las capas de valencia de los ato-

mos. Es necesario un manejo riguroso de este conjunto enorme de partıculas para llevar a cabo la

conexion entre la visiones micro y macroscopica. Pertenece al campo de estudio del tercer bloque

10

fundamental de la QF, la Mecanica Estadıstica. Junto a estos tres bloques fundamentales, existen

otros dos con entidad propia, la Espectroscopıa y la Cinetica, donde la variable temporal juega

un papel relevante. Todos los fenomenos microscopicos involucrados en las transiciones entre es-

tados inducidas por la radiacion electromagnetica son objeto de estudio de la Espectroscopıa. La

evolucion temporal de los sistemas fuera del equilibrio es el campo de la materia contenida en la

Cinetica. Ambas, Espectroscopıa y Cinetica, requieren, en mayor o menor medida, de conceptos

de los tres bloques fundamentales.

Una division alternativa que goza de popularidad creciente consiste en referirse a los contenidos de

la QF en terminos de Equilibrio, Estructura y Cambio. El primero estudia los sistemas quımicos en

equilibrio, el segundo la estructura atomica y molecular y el enlace quımico y, por ultimo, el tercero

se encarga de la dinamica de los sistemas quımicos tanto en equilibrio como fuera del equilibrio.

No se trata como vemos de una propuesta que modifique sustancialmente los contenidos de la

particion tradicional, pues existe una correspondencia clara entre el Equilibrio y la Termodinamica

Quımica, y ademas los contenidos de Quımica Cuantica y Mecanica Estadıstica encajan bien,

respectivamente, en Estructura y Cambio. En esta nueva division se da un mayor peso especıfico

tanto al bloque de la Espectroscopıa como a los aspectos dinamicos de no equilibrio, competencia

de las Cineticas Fısica y Quımica, pues en lugar de aparecer en bloques separados se incluyen el

primero en el apartado de Estructura y las Cineticas en el de Cambio. Discutire con mayor detalle

los contenidos de cada uno de estos bloques en el apartado siguiente. En cualquier caso parece

mas bien una cuestion organizativa mas que de contenidos la que introduce diferencias entre estas

dos visiones.

De manera amplia, el objetivo de la QF es entender, explicar y predecir el comportamiento de

los sistemas quımico fısicos tanto cuando se encuentran aislados como cuando estan sometidos a

la accion externa de agentes quımicos y/o de otros efectos como la presion, la temperatura, la

radiacion electromagnetica, los campos gravitacionales, electricos, magneticos, etc. Para alcanzar

sus objetivos, la QF lleva a cabo experimentos y simulaciones computacionales que descansan en

11

modelos basados en formalismos teoricos y algebraicos. Se trata pues de una parcela de la Ciencia

en la que la componente matematica esta presente y es necesaria. Sin embargo, lo que a mi

parecer (y al de muchos otros colegas) resulta genuinamente consustancial con la QF moderna es

la utilizacion y validacion del criterio microscopico, al que me referıa mas arriba, como herramienta

de guıa en la propuesta e interpretacion de esos experimentos y simulaciones. Los avances de los

ultimos anos en la aplicacion de este criterio microscopico a otras disciplinas de la Ciencia ha

tenido mucho que ver con la expansion (y disgregacion) actual de la QF en ramas como la ciencia

de materiales, la geoquımica, la quımica atmosferica, la astroquımica, la bioquımica, etc. Pienso

que esta intervencion en otras parcelas del saber es un hecho distintivo que ilustra y estimula la

evolucion y el progreso de la QF como area de conocimiento imprescindible en la formacion de

un quımico y en la de muchos titulados universitarios en cualquiera de las ramas de las Ciencias

Experimentales.

12

2.1.1. Los libros de texto de Quımica Fısica como referencia del Pro-

yecto Docente

Tal y como indique en la Introduccion a este Proyecto Docente, he optado por utilizar libros

de texto generales como referencia para presentar los contenidos de Quımica Fısica sin tender

a una vision enciclopedica. Creo que se trata de una decision sensata desde el punto de vista

practico y que, logicamente, sera tanto mas acertada en la medida en la que los libros elegidos

reflejen y se acomoden a la vision moderna de la docencia universitaria de la QF. Si se quieren

presentar los contenidos de una materia en el contexto de un Proyecto Docente, me parece muy

razonable acudir a las fuentes bibliograficas que tanto docentes como discentes van a manejar.

En la actualidad, estas referencias se encuentran en otros formatos ademas del material impreso.

Esto es cierto, y dos puntualizaciones justifican mi decision de guiarme aquı unicamente por los

libros de texto. La primera es que pretendo seleccionar visiones globales de la QF presentadas de

un modo homogeneo. Aunque existen algunas direcciones en la web, como la plataforma OCW

(OpenCourseWare) auspiciada por el Massachusetts Institute of Technology, donde se puede tener

acceso a contenidos generales de QF, estos se presentan desglosados por asignaturas (ver por

ejemplo http://ocw.mit.edu/courses/chemistry/ o en la misma pagina web de la Universidad de

Oviedo http://ocw.uniovi.es/ocw/course/index.php) y se mantiene un cierto estilo esquematico

mas habitual de las notas tomadas como apuntes. La segunda es que los propios textos que utilizo

a continuacion contienen muchas referencias a direcciones de paginas web donde podemos acceder

a los contenidos quımico fısicos en otros formatos.

Quiza lo primero que deberıa senalar es que el numero de libros generalistas de QF es muy

numeroso y que la decision de seleccionar unos pocos tıtulos es un tanto complicada. Logicamente,

muchos quedaran fuera, ya que para el fin que persigo en este apartado he restringido la consulta

fundamentalmente a cinco textos. He querido que los libros de esta seleccion cumplieran requisitos

tales como: (i) buenos textos de QF, (ii) textos consolidados en otras universidades, (iii) primeras

ediciones escritas al menos en los ultimos quince anos, (iv) ediciones en espanol disponibles y

13

(v) que yo los conociese con cierta profundidad. Obviamente, resulta muy difıcil que todas estas

caracterısticas se den simultaneamente. Creo que esta bien guiarse por los libros clasicos manejados

con mayor frecuencia, pero tambien incorporar textos recientes de calidad que estan alcanzando

popularidad. He querido ademas que algunos de los cinco libros de la seleccion tuviera ediciones

en espanol pues son textos que van a ser seguidos en el aula, y todavıa hoy el uso del ingles supone

una barrera para muchos estudiantes.

En primer lugar, he seleccionado dos textos recomendados frecuentemente en muchas universidades

espanolas, europeas y americanas, y que gozan de una buena reputacion demostrada por el numero

de ediciones que se han publicado de los mismos. Se trata de Fisicoquımica de I. N. Levine [1]

y Physical Chemistry de P. W. Atkins y J. de Paula [2]. Hay que anadir a esta lista otro texto

con parecidos atributos, aunque su primera edicion en el formato actual es de 1997. Es el texto

de D. A. McQuarrie y J. D. Simon titulado Physical Chemistry: A Molecular Approach [3].

El cuarto libro goza de mis mayores preferencias por su rigor quımico fısico y por su buen sentido

didactico. Se trata del texto de J. S. Winn Physical Chemistry [4]. Es un texto menos popular

y, en mi opinion, lo peor que se puede decir de el es que quiza sea mejor libro para el profesor que

para el estudiante promedio (algo parecido a lo que sucede con el texto Physical Chemistry

de R. S. Berry, S. A. Rice y J. Ross [6]). El ultimo de los libros seleccionados es el mas reciente

de los cinco, siendo la fecha de la primera edicion en ingles del ano 2005. A los autores iniciales,

T. Engel y P. Reid, se ha unido en la segunda edicion W. Hehre. Lo he considerado mas por su

carater novedoso y por disponer de una edicion espanola, Quımica Fısica [5], (ciertamente llena

de erratas), que por una uniformidad en la calidad expositiva de todos los temas que aborda.

Pienso que estos cinco textos son representativos de los contenidos generales de la QF, y que son

adecuados para el desarrollo de las asignaturas de los distintos Grados de la Universidad de Oviedo

donde la QF tiene presencia. Claro esta que otros libros generalistas u otros especıficos pueden y

deben consultarse tanto para la preparacion de las clases como para el estudio de cualquiera de

estas asignaturas. Hare referencia a estos otros textos mas adelante.

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Existen muchos elementos en comun en los cinco libros elegidos, lo cual facilita el analisis de los

contenidos. Todos tienen un tamano similar, con un numero de paginas en torno a 1100-1300, y

un numero de capıtulos mas dispar, entre 24 en el texto de Levine y 37 en el de Engel y Reid. Este

hecho se debe mas a la diferente concepcion del contenido de un capıtulo que a la propia materia

en sı. Por ejemplo, Levine utiliza un solo capıtulo para tratar la Mecanica Cuantica, mientras que

Engel y Reid desarrollan aproximadamente la misma materia en seis capıtulos. En lıneas gene-

rales, los contenidos de los bloques a los que aludıa anteriormente aparecen en todos los textos

independientemente de que sigan la division tradicional o alternativa. Logicamente, la organiza-

cion no coincide completamente en los cinco textos, y existen algunos capıtulos cuya ubicacion

puede oscilar de lugar dependiendo del autor. La opcion tradicional de cinco bloques permite mas

flexibilidad para ordenar de forma coherente la materia. Por ejemplo, la Espectroscopıa requiere

conceptos estadısticos y es conveniente desgajarla del bloque Estructura de la division que he

denominado alternativa. Esta mayor libertad me ha hecho decantarme por la presentacion del

programa general de Quımica Fısica estructurando los contenidos de la QF en cinco bloques.

De forma global, podemos distinguir un primer bloque de materia dedicado a la Termodinamica.

Basicamente, este bloque incluye las leyes de la Termodinamica, el estudio de las condiciones de

equilibrio material, de fases y quımico, la aplicacion de estos fundamentos a diferentes sistemas

quımicos (gases, disoluciones, sistemas electroquımicos) y los fenomenos de superficie. El segun-

do bloque es el de la Quımica Cuantica y contiene el transito entre las concepciones clasica y

moderna de la Fısica, los postulados de la Mecanica Cuantica, el estudio de los sistemas modelo

con solucion analıtica, y la estructura electronica de atomos y moleculas. El tercer bloque es el

de Mecanica Estadıstica y contiene la Teorıa cinetica de los gases, una introduccion a la Ter-

modinamica Estadıstica y su aplicacion a los gases ideales. El bloque de la Espectroscopıa se

fundamenta en la teorıa de perturbaciones dependientes del tiempo y recorre desde la espectros-

copıa de rotacion hasta la electronica, incluyendo las resonancias magneticas y la difractometrıa.

Por ultimo, el bloque dedicado a la Cinetica distingue en una primera parte los Fenomenos de

Transporte de la Cinetica Quımica, en la que se trata tanto la cinetica formal como la molecular

15

y tambien la cinetica electrodica.

Creo que ningun profesor de QF se sentirıa decepcionado, mas bien todos firmarıamos sin ningun

reparo, si todos estos contenidos pudieran formar parte del curriculum de los nuevos graduados

en Quımica. Alguno de los textos seleccionados incluyen, ademas, capıtulos especıficos dedicados

a campos gravitacionales, magneticos y electricos, a las propiedades electricas y magneticas de las

moleculas, a los estados solido y lıquido y a las macromoleculas. Estas lecciones pueden tener facil

alojamiento en alguno(s) de los cinco bloques anteriores. La leccion de los campos externos en el

bloque correspondiente a la Termodinamica, la leccion de las propiedades moleculares en el bloque

de Cuantica, y la de los estados de agregacion y macromoeculas, dependiendo de su orientacion, en

el bloque de la Termodinamica Estadıstica o en el de Espectroscopıa. En los libros mas recientes

existe la propuesta de una leccion dedicada a la Quımica Computacional que pertenece al ambito

de la Cuantica, al igual que en el caso de que se considere independientemente una leccion sobre

simetrıa y Teorıa de Grupos.

Pienso que todas estas consideraciones son suficientes para presentar a continuacion un temario

general de QF siguiendo en la medida de lo posible, y teniendo en cuenta mis preferencias, los

contenidos de los textos seleccionados. Aparece en primer lugar, en formato reducido, un ındice

de lecciones y despues se explicitan con cieto detalle los descriptores de cada leccion. En una

subseccion posterior se recogera un breve comentario al temario general. Recordemos que este

temario servira de punto de partida para la construccion de las guıas docentes de las asignaturas

de los nuevos grados en los que el area de QF tiene docencia. Sera en esa seccion donde se tendra en

cuenta el factor temporal, tanto en relacion con la extension de cada una de las lecciones como

con la del programa completo. Pienso que la consideracion de la variable tiempo debe realizarse

en el momento concreto de confeccionar la guıa docente de una asignatura a partir del programa

general. Aquı, el temario ha sido planteado siguiendo criterios de homogeneidad de conceptos.

16

2.1.2. Temario general de Quımica Fısica

2.1.2.1. Bloques e ındice reducido de las lecciones del Programa Teorico

BLOQUE I. TERMODINAMICA

1. Primeras leyes de la Termodinamica

2. Condiciones de cambio y de equilibrio material

3. Sustancias puras: equilibrios y diagramas de fases

4. Sistemas de varios componentes

5. Equilibrio quımico

6. Fenomenos de superficie

7. Equilibrio electroquımico

BLOQUE II. QUIMICA CUANTICA

1. El transito de la Mecanica Clasica a la Mecanica Cuantica

2. Los postulados de la Mecanica Cuantica

3. Problemas de una partıcula con solucion analıtica

4. Problemas de dos partıculas con solucion analıtica

5. Teorıa atomica: atomo de dos electrones

6. Teorıa atomica: atomos de mas de dos electrones

7. Estructura electronica molecular. I. Moleculas lineales

8. Estructura electronica molecular. II. Moleculas no lineales

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BLOQUE III. MECANICA ESTADISTICA

1. Teorıa cinetica de los gases

2. Introduccion a la Termodinamica Estadıstica

3. Termodinamica Estadıstica del gas ideal

BLOQUE IV. ESPECTROSCOPIA

1. Estados dependientes del tiempo y Espectroscopıa

2. Espectroscopıas de rotacion y vibracion

3. Espectroscopıa electronica

4. Resonancias magneticas

5. Solidos, lıquidos y tecnicas de difraccion

6. Macromoleculas

BLOQUE V. CINETICA

1. Cinetica Fısica

2. Cinetica Quımica Formal

3. Cinetica Quımica Molecular

4. Cinetica Electroquımica

2.1.2.2. Bloques e ındice desarrollado de las lecciones del Programa Teorico


1. Primeras leyes de la Termodinamica. Quımica Fısica. Termodinamica. Conceptos

basicos, temperatura y ley cero. Calor y trabajo. Primera ley de la Termodinamica.

Segunda ley de la Termodinamica. Entropıa y espontaneidad

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2. Condiciones de cambio y de equilibrio material. Relaciones termodinamicas de

un sistema homogeneo de composicion constante. Relaciones termodinamicas de siste-

mas homogeneos y heterogeneos de composicion variable: el potencial quımico. Magni-

tudes molares parciales. Condiciones de espontaneidad y de equilibrio en terminos de

propiedades intensivas (potenciales quımicos) y extensivas (potenciales termodinami-

cos). Equilibrio material: equilibrio de fases y equilibrio quımico. La regla de las fases

3. Sustancias puras: equilibrios y diagramas de fases. Diagramas de fases. La ecua-

cion de Clapeyron. Equilibrios lıquido-vapor y solido-vapor: la ecuacion de Clausius-

Clapeyron. Equilibrio solido-lıquido. Transiciones de fase solido-solido. Transiciones de

fase de orden superior

4. Sistemas de varios componentes. Gas puro ideal y mezcla de gases ideales. Gas puro

no ideal y mezcla de gases no ideales. Disoluciones ideales. Disoluciones diluidas ideales.

Disoluciones no ideales de no electrolitos. Estados normales, actividades y coeficientes

de actividad. Disoluciones de electrolitos. Propiedades coligativas. Diagramas de fases

5. Equilibrio quımico. La constante de equilibrio y la funcion de Gibbs normal de reac-

cion. Funciones termodinamicas normales de reaccion. Tercera ley de la Termodinami-

ca. Entropıas convencionales. Equilibrio de reacciones que implican gases. Equilibrio

quımico en disoluciones lıquidas. Equilibrio quımico heterogeneo

6. Fenomenos de superficie. Interfases: descripcion y propiedades. Termodinamica de

interfases: modelo de Gibbs. Interfases lıquido-vapor: tensoactivos. Adsorcion en las

interfases solido-lıquido y solido-gas. Interfases curvas: capilaridad

7. Equilibrio electroquımico. Sistemas electroquımicos. Potencial electroquımico. Con-

diciones de equilibrio de fases y de reaccion en un sistema electroquımico. Pilas galvani-

cas. Termodinamica de las pilas galvanicas. Tipos de electrodos reversibles. Aplicacio-

nes de las medidas de fuerza electromotriz: determinacion de funciones normales de

reaccion. Equilibrio de membrana

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BLOQUE II. QUIMICA CUANTICA

1. El transito de la Mecanica Clasica a la Mecanica Cuantica. Coordenadas gene-

ralizadas. Ecuaciones de Lagrange. Ecuaciones de Hamilton. La funcion hamiltoniana.

Antecedentes de la Mecanica Cuantica. Radiacion del cuerpo negro. Espectros atomicos.

El atomo de Bohr. Unidades atomicas

2. Los postulados de la Mecanica Cuantica. La funcion de onda. Principio de super-

posicion. Operadores. Valores propios y medida. Conjunto completo de estados propios.

Valores esperados. Ecuacion de Schrodinger. Spin y principio de Pauli. Notacion de Di-

rac

3. Problemas de una partıcula con solucion analıtica. La partıcula libre. La partıcu-

la en la caja monodimensional. La partıcula en la caja tridimensional. El oscilador

armonico. Momento angular de una partıcula. Problemas de campo central

4. Problemas de dos partıculas con solucion analıtica. El problema de dos cuerpos

en Mecanica Clasica. El problema de dos cuerpos en Mecanica Cuantica. El rotor rıgido.

El atomo hidrogenoide

5. Teorıa atomica: atomo de dos electrones. Teorema variacional. Metodo de varia-

ciones lineal. Metodos perturbativos. Atomo de He: tratamiento perturbativo, variacio-

nal y aproximacion orbital del estado fundamental. Atomo de He: estados excitados.

6. Teorıa atomica: atomos de mas de dos electrones. Hamiltoniano no relativista.

Acoplamiento de dos momentos angulares. Momento angular L y S de un atomo. De-

terminantes de Slater. Terminos de Russell-Saunders. Reglas de Hund. El metodo de

Hartree-Fock. Acoplamiento spin-orbita. Estructura electronica fina de un atomo

7. Estructura electronica molecular. I. Moleculas lineales. Hamiltoniano no rela-

tivista. Aproximacion de Born-Oppenheimer y ecuacion electronica. La molecula ion

H+

2 . La molecula H2: metodo de Heitler-London y de Mulliken-Hund. El metodo LCAO

en moleculas lineales

20

8. Estructura electronica molecular. II. Moleculas no lineales. Simetrıa de la

funcion de onda multielectronica. Metodo de orbitales moleculares en moleculas no

lineales. Hibridacion. Propiedades electricas y magneticas de las moleculas. Quımica

Computacional: metodologıas de calculo en Quımica Cuantica.

BLOQUE III. MECANICA ESTADISTICA

1. Teorıa cinetica de los gases. Teorıa cinetico-molecular de los gases. Ley de dis-

tribucion de velocidades moleculares. Efusion. Colisiones moleculares y recorrido libre

medio. La ley de distribucion de Boltzmann. Capacidades calorıficas de gases ideales

poliatomicos

2. Introduccion a la Termodinamica Estadıstica. Ergodicidad. El metodo de Gibbs

de los colectivos. El colectivo canonico. Microestados y macroestados. La distribucion

mas probable. Funcion de particion canonica y propiedades termodinamicas. Funcion de

particion canonica para un sistema de partıculas no interaccionantes. Funcion de parti-

cion molecular. Funcion de particion canonica para un gas ideal puro. Otros colectivos.

Fluctuaciones

3. Termodinamica Estadıstica del gas ideal. Termodinamica estadıstica para gases

ideales monoatomicos y diatomicos: funciones de particion traslacional, rotacional, vi-

bracional y electronica; propiedades termodinamicas. Termodinamica estadıstica para

gases ideales poliatomicos. Propiedades termodinamicas y constantes de equilibrio de

reacciones de gases ideales


1. Estados dependientes del tiempo y Espectroscopıa. Introduccion. Teorıa de per-

turbaciones dependientes del tiempo. Radiacion electromagnetica. Absorcion y emision

de radiacion electromagnetica. Probabilidad de transicion de Einstein. Reglas de selec-

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cion. Forma y anchura de las lıneas. Tecnicas espectroscopicas y aplicaciones. Unidades

usadas en Espectroscopıa

2. Espectroscopıas de rotacion y vibracion. Aproximacion de Born-Oppenheimer

y ecuacion nuclear. Movimiento nuclear de moleculas diatomicas. Reglas de seleccion

roto-vibracionales. Espectros rotacionales de moleculas diatomicas. Espectros de rota-

cion-vibracion. Espectroscopıa Raman. Movimiento nuclear en moleculas poliatomicas.

Espectro rotacional del trompo simetrico y asimetrico. Espectroscopıa de microondas.

Simetrıa molecular y vibraciones: modos normales de vibracion. Grupos funcionales y

el espectro IR de baja resolucion. Reglas de seleccion. Anarmonicidad.

3. Espectroscopıa electronica. Espectros electronicos y ley de Lambert-Beer. Principio

de Frank-Condon. Absorcion, fluorescencia y fosforescencia. Disociacion y predisocia-

cion. Lasers: principio, tipos y aplicaciones en quımica. Espectroscopıa fotoelectronica.

4. Resonancias magneticas. Resonancia magnetica nuclear: Momento magnetico nu-

clear y reglas de seleccion. Desplazamiento quımico. Constante de apantallamiento.

Acoplamiento spin-spin. Espectroscopıa RMN por transformada de Fourier. RMN de

estado solido. RMN de imagen. Resonancia de spin electronico. Estructura hiperfina.

5. Solidos, lıquidos y tecnicas de difraccion. Tipos de solidos. Estructuras cristalinas:

red cristalina, celda unidad, ındices de Miller. Teorıa general de la difraccion: introduc-

cion a la dispersion elastica de partıculas (fotones, neutrones, electrones) por la materia.

Factor de estructura. Factor de forma. Ecuacion de Laue. Ley de Bragg. Metodo de

polvo cristalino. Difraccion de monocristales. Espectros de rayos-X. Introduccion a las

tecnicas de absorcion de rayos X. Lıquidos.

6. Macromoleculas. Tamano y forma: propiedades coligativas, sedimentacion, viscosi-

dad, dispersion de luz y resonancia magnetica. Conformacion y configuracion: ovillo

estadıstico, helices y capas. Determinacion por rayos X de la estructura terciaria

22

BLOQUE V. CINETICA

1. Cinetica Fısica. Introduccion a los fenomenos de transporte. Conduccion termica.

Viscosidad. Difusion y sedimentacion. Conduccion electrica de disoluciones electrolıticas

2. Cinetica Quımica Formal. Introduccion a la Cinetica Quımica. Velocidad de reac-

cion. Ecuaciones cineticas y mecanismos de reaccion. Integracion de ecuaciones cineticas

sencillas. Metodos de determinacion de ecuaciones cineticas. Reacciones opuestas, con-

secutivas y competitivas. Aproximacion de la etapa limitante. Aproximacion del estado

estacionario. Efecto de la temperatura sobre la constante cinetica. Reacciones unimo-

leculares. Reacciones en cadena lineal. Reacciones en cadena ramificada. Cineticas de

relajacion. Reacciones en disolucion lıquida. Catalisis. Reacciones autocatalıticas y os-

cilantes

3. Cinetica Quımica Molecular. Teorıas de colisiones para las velocidades de reaccion

en fase gaseosa. Superficies de energıa potencial. Dinamica molecular de una reaccion.

Teorıa del estado de transicion. Formulacion termodinamica de la teorıa del estado de

transicion. Modelos para la dinamica de reacciones elementales

4. Cinetica Electroquımica. Conceptos generales: polarizacion. Modelos de la doble ca-

pa. Teorıas de las velocidades de las reacciones electrodicas simples: ecuacion de Butler-

Volmer. Tecnicas electroquımicas. Baterias y celulas de combustible. Electrosıntesis.

Corrosion

23

2.1.3. Indice de practicas del Programa Experimental

A continuacion presento una lista con los tıtulos de las practicas de laboratorio experimentales y

organizada de acuerdo con los bloques I, IV y V del temario general, en sintonıa con las asignaturas

experimentales del Grado, como veremos mas adelante. Algunas podrıan ubicarse en mas de un

bloque.


1. Aspectos cualiativos de la termodinamica de las reacciones quımicas: variacion de la

entalpia de reaccion y desplazamiento del equilibrio

2. Calorimetrıa. Determinacion de calores de neutralizacion

3. Magnitudes molares parciales. Determinacion del volumen de mezcla y de los volumenes

molares parciales de los componentes de una disolucion binaria

4. Descenso del punto de congelacion de un disolvente debido a la adicion de un soluto.

Determinacion de la masa molar de no electrolitos por crioscopıa

5. Equilibrio de solubilidad. Determinacion del producto de solubilidad de una sal poco

soluble a partir de medidas directas de solubilidad. Variacion de la solubilidad de una

sal por la presencia de otros electrolitos

6. Equilibrio acido-base. Determinacion de la constante de ionizacion de un acido debil

usando un electrodo de vidrio

7. Determinacion de la constante de equilibrio de una reaccion quımica usando un espec-

trofotometro.

8. Obtencion de la isoterma de adsorcion del acido acetico usando carbon vegetal activo


1. Medida de la actividad optica de la sacarosa en disolucion acuosa

24

2. Determinacion del espectro de absorcion de una especie coloreada en disolucion. Apli-

cacion de la ley de Lambert-Beer

3. Determinacion de propiedades estructurales de compuestos aromaticos y polienos con-

jugados mediante espectroscopıa visible-ultravioleta y calculos semiemp’ricos de la es-

tructura electronica molecular

BLOQUE V. CINETICA

1. Determinacion del grado de ionizacion, del coeficiente de actividad ionico medio y de las

constante del equilibrio de ionizacion de un acido debil por medidas de conductividad

2. Disoluciones electrolıticas y no electrolıticas. Conductividad electrica: consideraciones

cualitativas y medidas cuantitativas. Valoracion conductimetrica

3. Determinacion de la masa molar de un polımero por medidas de viscosidad. Influencia

de la temperatura en la viscosidad de una disolucion polimerica

4. Aspectos cualitativos de la cinetica de una reaccion quımica: efecto de la concentracion

y de la temperatura

5. Determinacion de la constante de velocidad para la reaccion de hidrolisis de la sacarosa

6. Determinacion de los ordenes parciales, del orden global, de la constante de velocidad

y de la energıa de activacion de una reaccion ionica

25

2.1.4. Breve reflexion sobre el temario general de Quımica Fısica

He intentado construir un temario general en el que, por razones de uniformidad, el grado de detalle

de los descriptores de cada leccion fuese similar. Espero no haber cometido muchas irregularidades.

Tambien parecerıa coherente que el tamano de cada leccion fuese equivalente, aunque no siempre

ha sido posible o conveniente. Esto es debido a que en la elaboracion del temario general he

tenido en mente las asignaturas concretas de las nuevas titulaciones cuyos temarios especıficos se

construiran a partir del general. En algunas ocasiones, he preferido dar identidad propia a un tema

concreto cuya extension por si mismo es mas reducida. Ademas, la disparidad entre los tamanos

de cada leccion puede estar heredada y ser reflejo de la ya existente entre los diferentes textos

seleccionados.

Hay partes del temario que estan basadas en alguno de los libros de forma preferente, aunque

no unica. Por ejemplo, la Termodinamica sigue en lıneas generales los contenidos del texto de

Levine con un orden en ocasiones alterado que se justificara en el comentario detallado de cada

asignatura, pero que adelanto que es fruto de debates bien argumentados entre los profesores que

hemos impartido esta parte de la QF en los diferentes planes de estudio. La Cuantica no tiene

una referencia bibliografica tan clara. McQuarrie y Simon siguen una estructura similar y las dis-

cusiones de Winn sirven de guıa de exposicion de la materia para muchos de los descriptores de

las lecciones. No puedo evitar citar el libro de Quımica Cuantica de I. N. Levine [7] recomendado

a los alumnos que quieran profundizar un poco mas en su primer contacto con la Cuantica. La

presentacion de Levine y las argumentaciones de nuevo de Winn son la base de las dos lecciones de

Mecanica Estadıstica y de la Teorıa cinetica de los gases. Aunque el texto de Winn no utiliza los

titulos convencionales para estos temas, considero muy instructivas sus lecciones sobre las bases

moleculares del equilibrio y la naturaleza dinamica del equilibrio. La Espectroscopıa sigue basi-

camente la organizacion de Atkins, aunque tengo que citar obligadamente el texto Espectroscopıa

Molecular [8], del que soy coautor, al menos en lo que concierne a las dos primeras lecciones de

este bloque. La Cinetica Formal es tratada de forma similar por cualquiera de los cinco libros

26

seleccionados siendo quiza la la leccion de Cinetica Molecular mas acorde con Levine y Atkins. He

seguido tambien a ese ultimo para disenar la leccion de Cinetica Electroquımica.

La Termodinamica mantiene su estructura bien definida, presentando primero los fundamentos, en

forma de principios o leyes, y los criterios de equilibrio y espontaneidad (potencial quımico), para

pasar posteriormente al estudio de los sistemas y fenomenos donde se ilustran de forma concreta:

equilibrios de fases en sistemas de uno y varios componentes y equilibrio quımico en sistemas

ideales y no ideales. Se incorpora el equilibrio electroquımico por sintonıa con el programa de

la asignatura Quımica Fısica I del nuevo grado (que veremos posteriormente) y porque es una

opcion natural y razonable recogida en otros libros. La electroquımica requiere la descripcion de

la interfase electrodo-disolucion y por ello se introduce previamente la leccion sobre fenomenos

superficiales.

La presentacion de la Mecanica y Quımica Cuantica sigue un orden natural comenzando por

situar en su contexto el nacimiento de la nueva disciplina y creando de forma progresiva el cuerpo

de conocimiento a partir de los postulados, los sistemas con solucion analıtica y la estructura

electronica de atomos y moleculas. Nunca me ha parecido conveniente la opcion que presentan

muchos textos en los que los postulados aparecen despues de la resolucion de la ecuacion de

Schrodinger en algunos sistemas modelo.

El bloque de la Mecanica Estadıstica comienza con la leccion dedicada a la teorıa de colisiones.

Allı se aprecia la imposibilidad de la Mecanica Clasica para obtener valores correctos de la ca-

pacidades calorıficas de los gases poliatomicos. Las dos lecciones de Termodinamica Estadıstica

presentan los fundamentos primero y la aplicacion despues de la maquinaria estadıstica a los gases

ideales mono y poliatomicos. En los cursos de los nuevos Tıtulos de Grado, las dos lecciones de

Termodinamica Estadıstica pueden impartirse evitando introducir el formalismo de los colectivos.

Se simplificarıa ası (y se disminuirıa el numero de horas) la presentacion sin modificar el objetivo

fundamental de aprender el papel que juega la Termodinamica Estadıstica como nexo entre las

visiones micro y macroscopicas de la materia.

27

La Espectroscopıa es quiza una de las partes de la Quımica Fısica que presenta una mayor po-

sibilidad de presentaciones. Responden, logicamente, a los distintos criterios que utilicemos. Ası,

la organizacion cambia si nos guiamos por los diferentes grados de libertad de los sistemas (ro-

tacional, vibracional, electronico); si consideramos procesos de un foton o de mas de un foton; si

preferimos seguir la secuencia atomos, moleculas diatomicas, poliatomicas, y quiza pasar despues

al estado solido. Si pensasemos en las tecnicas experimentales o en las regiones del espectro elec-

tromagnetico, comenzarıamos por las resonancias magneticas y finalizarıamos por la difraccion

de rayos X. Si atendemos al propio fenomeno espectroscopico, esta claro que la espectroscopıa

Raman, las tecnicas de difraccion e incluso las espectroscopıas originadas entre estados inducidos

(resonancias magneticas) deberıan tratarse separadamente. Sin embargo, la aplicacion de cada

uno de estos criterios no proporciona presentaciones totalmente dispares de la Espectroscopıa. He

intentado conjugar todos estos aspectos en mi propuesta, que quiere ser practica, aunque pueda

pecar de tradicional (mas bien dirıa yo de popular). Mi experiencia en este caso me da cierto aval

para justificar que los estudiantes aprenden bien la quımica fısica de la Espectoscopıa cuando se

presenta en bloques homogeneos, y con indentidad propia, la espectroscopıa de rotacion-vibracion

de moleculas diatomicas y poliatomicas, la espectroscopıa electronica, las resonancias magneticas

y las tecnicas de difraccion, siguiendo la secuencia que he senalado en el temario.

Las cineticas estan bien estructuradas en lecciones que distinguen con claridad los aspectos fenome-

nologicos de los microscopicos en el tratamiento de la Cinetica Fısica, Quımica y Electroquımica.

La leccion de Cinetica Quımica Formal es una de las mas extensas del temario general y podrıa

desdoblarse en una introductoria y otra dedicada a los mecanismos de las reacciones complejas.

La leccion de Cinetica Electroquımica tiene una division clara con una primera parte teorica con

los fundamentos y una segunda con las aplicaciones. Creo que este tipo de divisiones proporciona

grados de libertad a la hora de planificar las asignaturas.

28

2.2. Quımica Fısica. El marco docente

Universidad, Centro y Departamento son los tres niveles que considero para contextualizar el

Proyecto Docente en un camino que comience con los aspectos globales del nuevo ambito docente

universitario y concluiya con los particulares de las asignaturas propias del area de conocimiento de

QF. Creo haber incorporado una cantidad de informacion no despreciable de fuentes muy diversas

y que en cieta manera pudiera ser prescindible si se citan adecuadamente las mismas. Mi decision

de mantener esta informacion esta justificada por el caracter de instrumento de consulta en el

que confıo pueda convertirse este documento, dotandolo ası de un caracter mas autocontenido. No

tengo ningun rubor en declarar que se trata de una recopilacion no enteramente original, en cierto

modo difıcil de aprehender y ciertamente no tan atractiva como la de los contenidos de QF, pero

necesaria y util en el desarrollo del Proyecto Docente. La construccion de esta parte ha estado

guiada por el esfuerzo en la seleccion de documentos y en el entendimiento de los mismos.

La Universidad espanola ha vivido en los ultimos anos un perıodo de cambios extraordinarios

en lo que se refiere a una de sus columnas vertebrales, la docencia. La Universidad de Oviedo ha

participado activamenre en este proceso transformador que ha culminado en el presente curso 2010-

2011 en el que se ha completado la puesta en marcha de los nuevos Tıtulos de Grado. En el caso del

Grado en Quımica, que discutire con detalle en apartados siguientes, su inicio se adelanto al curso

2009-2010. Los antecedentes de este nuevo escenario constituyen lo que se conoce como la creacion

del Espacio Europeo de Educacion Superior (EEES), cuya formalizacion en pautas regladas da

lugar al mas conocido, al menos en el ambito universitario espanol, como Plan de Bolonia [10]. El

aporte de informacion general sobre el EEES sera el objeto de la primera de las dos subsecciones

en las que he dividido el apartado dedicado a la Universidad. El segundo esta dirigido a presentar

la normativa espanola que sustenta el nuevo contexto universitario.

Los Centros han recobrado con Bolonia protagonismo en la vida universitaria. Despues del perıodo

post-LRU en el que los Departamentos lo acapararon en mayor medida, se han erigido en los

autenticos interlocutores con los tres estamentos universitarios (personal docente e investigador,

29

personal de administracion y servicios y estudiantes) en el proceso de implantacion de los nuevos

Tıtulos de Grado. En el caso principal que nos atane, la participacion de la Facultad de Quımica

de la Universidad de Oviedo en la elaboracion del Libro Blanco del Tıtulo de Grado en Quımica

muestra claramente este papel protagonista. El Libro Blanco del Grado en Quımica es un paso

intermedio hacia la implantacion final del Grado en Quımica en la Universidad de Oviedo. Debe

ser reflejo de esfuerzos simmilares en universidades europeas, todos ellos compatibles con el EEES.

Para asegurar esta compatibilidad, la Red European Chemistry Tematic Network participo en el

Proyecto Tuning desde sus inicios con objeto de establecer puntos de referencia comunes para los

estudios de Quımica en Europa proponiendo los llamados Chemistry Eurolabels. Hare referencia

en subapartados independientes, y consecutivos, tanto a los Chemistry Eurolabels como al Libro

Blanco del Tıtulo de Grado en Quımica. El apartado dedicado al nivel Centro lo concluire con

una descripcion de como esta articulado el Grado en Quımica en la Facultad de Quımica de la

Universidad de Oviedo.

Finalmente, el Departamento es el organo institucional encargado de gestionar la imparticion

de las asignaturas. Allı es donde reside el area de conocimiento con el que cada profesor debe

identificarse inequıvocamente. En la nueva estructura educativa en la que nos movemos, cada

asignatura queda completamente definida por medio de una Guıa Docente. Este es quiza el aspecto

innovador mas inmmediato con el que los profesores se encuentran con la entrada de los nuevos

Grados. En las Guıas Docentes se recogen de manera detallada todos los aspectos docentes de

cada asignatura siguiendo unas plantillas predeterminadas. Deben ser aprobadas por el Consejo

de Departamento antes de su paso por el organo del Centro competente en materias docentes.

Dedicare un subapartado a describir el contenido general de una Guıa Docente y continuare este

apartado con la presentacion de las Guıas Docentes de las asignaturas del area de Quımica Fısica

del Grado en Quımica. Hare referencia, en menor medida, a las del resto de asignaturas asignadas,

exclusiva o compartidamente, al area de QF en el resto de Tıtulos de Grado. El apartado y el

capıtulo concluiran con una reflexion general sobre la docencia de la Quımica Fısica en el Grado

en Quımica de la Universidad de Oviedo.

30

2.2.1. Universidad

2.2.1.1. El Espacio Europeo de Educacion Superior

El Espacio Europeo de Educacion Superior (EEES) es un sistema educativo europeo de calidad

que persigue fomentar en Europa el crecimiento economico, la competitividad internacional, la

movilidad y la cohesion social mediante la educacion y la formacion de los ciudadanos a lo largo

de la vida. La elaboracion de un Proyecto Docente universitario en la actualidad debe enmarcarse

necesariamente dentro del contexto que defina este EEES.

La creacion del EEES se desarrolla mediante el Proceso de Bolonia. Se trata de un proceso mar-

cado por decisiones polıticas encaminadas a establecer un sistema de educacion superior europeo

[10, 11]. Los preceptos basicos de este Proceso de Bolonia se establecen en la Declaracion Con-

junta para la Armonizacion del Diseno del Sistema Superior Europeo (conocida como Declaracion

de la Sorbona), que firman en Parıs en mayo de 1998 los ministros de Educacion de Francia,

Italia, Reino Unido y Alemania. Los firmantes de esta declaracion se comprometen a la promo-

cion de un marco comun de referencia para la educacion superior europea, dedicado a mejorar

el reconocimiento externo y a facilitar tanto la movilidad estudiantil como las oportunidades de

empleo. La Declaracion de Bolonia sobre el Espacio Europeo de la Educacion Superior, inspirada

en gran parte en la Declaracion de la Sorbona, fue suscrita en junio de 1999 por los responsables

de educacion superior de 29 paıses europeos. Esta declaracion se convierte en el documento basico

inicial para establecer el marco general para la modernizacion y reforma de la educacion superior

europea, proceso que empezo a conocerse como el Proceso de Bolonia. En este declaracion se fijan

una serie de objetivos a alcanzar antes de que finalice le primera decada del siglo XXI y que han

sido clave para la creacion del EEES y la promocion de este sistema europeo en todo el mundo.

Estos objetivos son:

Adoptar un sistema facilmente comprensible y comparable de titulaciones, entre otras me-

didas, por medio del suplemento europeo al tıtulo, a fin de promover el empleo de los ciu-

dadanos europeos, y la competitividad del sistema de ensenanza superior europeo a escala

31

internacional

Implementar un sistema basado esencialmente en dos ciclos principales. Para acceder al

segundo ciclo sera preciso haber completado el primer ciclo de estudios, con una duracion

mınima de tres anos. El tıtulo concedido al termino del primer ciclo correspondera a un

nivel de cualificacion apropiado para acceder al mercado de trabajo europeo. El segundo

ciclo deberıa culminar con la obtencion de un tıtulo final o doctorado

Establecer un sistema de acumulacion y transferencia de creditos compatibles (European

Credit Transfer System, ECTS) como medio apropiado para promover una mayor movilidad

entre los estudiantes

Promocionar la movilidad para los estudiantes, profesores, investigadores y personal admi-

nistrativo de las universidades y otras instituciones de educacion superior europeas

Fomentar la cooperacion europea en materia de garantıa de la calidad y desarrollo de criterios

y metodologıas comparables

Promocionar la necesaria dimension europea en la ensenanza superior, especialmente por lo

que respecta a la elaboracion de programas de estudios, la cooperacion interinstitucional, los

programas de movilidad y los programas integrados de estudios, formacion e investigacion

La Declaracion de Bolonia tambien formula como objetivo el aumento de la compatibilidad inter-

nacional del sistema europeo de ensenanza superior y la necesidad de asegurar que este sistema

atraiga una atencion significativa del mundo entero. Con el proposito de establecer un apoyo

constante a la construccion del EEES, los ministros de Educacion de los paıses firmantes de la

Declaracion de Bolonia deciden reunirse cada dos anos con la intencion de valorar los avances

realizados y marcar las pautas para su continuidad [11].

La primera de estas reuniones tiene lugar en Praga en mayo de 2001 con la participacion de

32 paıses. Los ministros de educacion reafirman su compromiso con el objetivo de establecer

32

el Area de Educacion Superior Europea para el ano 2010. Asimismo, deciden en esta reunion

establecer un Grupo de Seguimiento responsable del desarrollo continuado del Proceso, compuesto

por los representantes de todos los paıses firmantes y la Comision Europea y, presidido por la

Presidencia de la UE de turno. Tambien se establece la participacion de la Asociacion Europea

de Universidades, la Asociacion Europea de Instituciones en Educacion Superior, las Uniones

Nacionales de Estudiantes en Europa y el Consejo de Europa como observadores en el trabajo

del Grupo de Seguimiento. En el Comunicado de Praga se hace hincapie en los siguientes tres

elementos del Proceso de Bolonia:

Promocionn del aprendizaje a lo largo de toda la vida, que es un elemento esencial del Area

de Educacion Superior Europea

Participacion de las universidades y de los estudiantes como socios constructivos, activos y

competentes en el proceso

Mejora del atractivo de la educacionn superior europea para estudiantes de Europa y de

otras partes del mundo

La Conferencia de Berlın, celebrada en septiembre de 2003 y con 40 paıses participantes, supone

un impulso adicional al Proceso de Bolonia. En ella se marcan las prioridades para los dos anos

siguientes que se listan a continuacion:

Desarrollo de la calidad a niveles institucionales, nacionales y europeos

Comienzo de la implantacion del sistema de dos ciclos

Reconocimiento de grados y perıodos de estudios, incluyendo la provision del Suplemento

del Diploma automatica y gratuitamente para todos los graduados desde 2005

Inclusion del nivel doctoral como el tercer ciclo en el proceso

Promocion de eslabones mas cercanos entre el Area de Educacion Superior Europea y el

Area de Investigacion Europea

33

En Mayo de 2005 tiene lugar la Conferencia de Bergen, donde el Proceso de Bolonia se extiende

a un total de 45 paıses, se hace un balance de lo conseguido y se amplıan para 2007 las siguientes

prioridades:

Reforzar la dimension social y eliminar los obstaculos a la movilidad

Implementar los estandares y directrices en cuanto a garantıa de calidad en el informe de

ENQA (European Asssociation for Quality Assurance in Higher Education)

Poner en practica los marcos de las cualificaciones nacionales

Expedir y reconocer tıtulos conjuntos, incluido el doctorado

Crear oportunidades para itinerarios flexibles de aprendizaje en la educacion superior, in-

cluyendo procedimientos para el reconocimiento del aprendizaje previo

En la reunion de seguimiento del Proceso de Bolonia celebrada en Londres en Mayo de 2007 se

analizan los avances ocurridos durante los ultimos dos anos a la vez que toma fuerza la conciencia

global de un proceso de transicion hacia una educacion centrada en el estudiante en lugar de en

el profesor. Los paıses participantes acuerdan focalizar la atencion durante los dos anos siguientes

en la culminacion de las lıneas de accion ya aprobadas, incluyendo las prioridades permanentes

del sistema de grados de dos ciclos, la garantıa de calidad y el reconocimiento de los tıtulos y

otros perıodos de estudio. Durante la ultima reunion celebrada en Abril de 2009, los ministros

responsables de la educacion de los 46 paıses del Proceso de Bolonia insisten en la importancia

de una educacion superior europea dinamica y flexible que integre la educacion y la investigacion

con el fin de enfrentarse a las circunstancias de la crisis financiera y economica mundial. En

esta reunion se senala la necesidad de colaboracion entre todos los paıses miembros despues de

2010, ano que marca el transito del Proceso de Bolonia al EEES. Con el fin de avanzar en las

prioridades marcadas en esta conferencia ministerial y evaluar los resultados del Proceso de forma

independiente, se le asigna al Grupo de Seguimiento de Bolonia las siguientes tareas:

34

Definir los indicadores utilizados para medir y supervisar la movilidad y la dimension social

en relacion con la recogida de datos

Reflexionar sobre como lograr la movilidad equilibrada en el EEES

Controlar el desarrollo de los mecanismos de transparencia y que se informe a la conferencia

ministerial de 2012

Configurar una red, haciendo un uso optimo de las estructuras existentes, para una mejor

informacion y promocion del proceso de Bolonia fuera del EEES

Efectuar un seguimiento de las recomendaciones para el analisis de los planes nacionales de

accion en materia de reconocimiento

En el curso 2009-2010, se inicia de forma masiva la puesta en marcha de un numero significativo

de grados enmarcados dentro del EEES en una etapa marcada por la crisis europea y mundial.

Para todos nosotros como profesores universitarios este cambio es un reto que debemos abordar

con la responsabilidad del que se sabe actor dentro del EEES y es consciente del papel crucial de

la educacion superior a la hora de crear una Europa del conocimiento que sea altamente creativa

e innovadora.

2.2.1.2. Ensenanzas universitarias en Espana

La Ley Organica 4/2007 (LOMLOU), que modificaba la Ley Organica 6/2001 de Universidades

(LOU), sienta las bases precisas para realizar una profunda modernizacion de la Universidad

espanola. Ası, entre otras importantes novedades, el nuevo Tıtulo VI de la Ley establece una

nueva estructuracion de las ensenanzas y tıtulos universitarios oficiales que permite reorientar, con

el debido sustento normativo, el proceso de convergencia de nuestras ensenanzas universitarias con

los principios derivados de la construccion del Espacio Europeo de Educacion Superior.

Ante la cercanıa del ano 2010, previsto por la Declaracion de Bolonia para la plena consecucion

de sus objetivos, el gobierno espanol publico el Real Decreto 1393/2007 por el que se establece

35

la ordenacion de las ensenanzas universitarias oficiales, estableciendose de este modo el adecuado

marco legal que, de un modo global, ha de sustentar con garantıas la nueva construccion del

Espacio Europeo de Educacion Superior.

Para conseguir estos objetivos, es necesario que en el plan de estudios de un tıtulo se reflejen mas

elementos que la mera descripcion de los contenidos formativos. Este nuevo modelo concibe el plan

de estudios como un proyecto de implantacion de una ensenanza universitaria, requiriendose para

su aprobacion la descripcion de elementos como justificacion, objetivos, admision de estudiantes,

contenidos, planificacion, recursos, resultados previstos y sistema de garantıa de calidad.

Los planes de estudios conducentes a la obtencion de un tıtulo deben, por tanto, tener en el

centro de sus objetivos la adquisicion de competencias por parte de los estudiantes, ampliando,

sin excluir, el tradicional enfoque basado en contenidos y horas lectivas. Se debe hacer enfasis en

los metodos de aprendizaje de dichas competencias, ası como en los procedimientos para evaluar

su adquisicion. Se han de proponer los creditos europeos, ECTS, tal y como se definen en el Real

Decreto 1125/2003, como unidad de medida que refleja los resultados del aprendizaje y volumen de

trabajo realizado por el estudiante para alcanzar los objetivos establecidos en el plan de estudios,

poniendo en valor la motivacion y el esfuerzo del estudiante para aprender.

Con la nueva organizacion de las ensenanzas se pretende incrementar el empleo de los titulados

al tiempo que cumplir con el objetivo de garantizar su compatibilidad con las normas reguladoras

de la carrera profesional de los empleados publicos. En este sentido, se introduce la posibilidad

de incluir practicas externas, lo que viene a reforzar el compromiso con el empleo de los futuros

graduados y graduadas, enriqueciendo la formacion de los estudiantes de las ensenanzas de grado,

en un entorno que les ha de proporcionar, tanto a ellos como a los responsables de la formacion,

un conocimiento mas profundo acerca de las competencias que necesitaran en el futuro.

Cabe senalar tambien que el Real Decreto 1393/2007 establece que los sistemas de Garantıa

de la Calidad han de ser parte de los nuevos planes de estudios, de manera que constituyen el

36

fundamento para que la nueva organizacion de las ensenanzas funcione eficientemente y para crear

la confianza sobre la que descansa el proceso de acreditacion de tıtulos. La autonomıa en el diseno

del tıtulo se ha de combinar con un adecuado sistema de evaluacion y acreditacion, que permita

supervisar la ejecucion efectiva de las ensenanzas e informar a la sociedad sobre la calidad de las

mismas. La concrecion del sistema de verificacion y acreditacion permitira el equilibrio entre una

mayor capacidad de las universidades para disenar los tıtulos y la rendicion de cuentas orientada

a garantizar la calidad y mejorar la informacion a la sociedad sobre las caracterısticas de la oferta

universitaria. La acreditacion de un tıtulo se basa en la verificacion del cumplimiento del proyecto

presentado por la Universidad y facilita la participacion en programas de financiacion especıficos

como, por ejemplo, de movilidad de profesores o estudiantes.

Se establece tambien en el Real Decreto indicado anteriormente un sistema de acceso y admision a

las diferentes ensenanzas y se garantizan los derechos academicos adquiridos por los estudiantes y

los titulados conforme a sistemas educativos anteriores. Ademas, los sistemas de acceso potencian

la apertura hacia los estudiantes procedentes de otros paıses del Espacio Europeo de Educacion or

y de otras areas geograficas, marcando una nueva estrategia en el contexto global de la Educacion

Superior.

Por otra parte, uno de los objetivos fundamentales de esta organizacion de las ensenanzas es

fomentar la movilidad de los estudiantes, tanto dentro de Europa como con otras partes del

mundo, y sobre todo la movilidad entre las distintas universidades espanolas y dentro de una misma

universidad. En este contexto resulta imprescindible apostar por un sistema de reconocimiento y

acumulacion de creditos, en el que los creditos cursados en otra universidad seran reconocidos e

incorporados al expediente del estudiante.

Otro objetivo importante, definido en el Proceso de Bolonia, es establecer vınculos adecuados entre

el Espacio Europeo de Educacion y el Espacio Europeo de Investigacion. Para ello, es necesaria

una mayor apertura en la organizacion de las ensenanzas de doctorado y facilitar la actualizacion

o modificacion de los planes de estudio.

37

En el ambito temporal, el Real Decreto 1393/2007 establece que las universidades han de proponer

su propio calendario de adaptacion, siempre ateniendose a los compromisos adquiridos por el

Gobierno Espanol en la declaracion de Bolonia, en virtud de los cuales en el ano 2010 todas las

ensenanzas deberan estar adaptadas a la nueva estructura, no pudiendose ofrecer primer curso de

las actuales titulaciones de licenciatura o ingenierıa. Finalmente, este Real Decreto establece que

las ensenanzas universitarias conducentes a la obtencion de tıtulos de caracter oficial y validez

en todo el territorio nacional se estructuran en tres ciclos, denominados respectivamente Grado,

Master y Doctorado. A continuacion, se describen las caracterısticas de cada uno de estos ciclos.

Ensenanzas de Grado. Las ensenanzas de Grado tienen como finalidad la obtencion por parte

del estudiante de una formacion general, en una o varias disciplinas, orientada a la preparacion

para el ejercicio de actividades de caracter profesional. La superacion de estas ensenanzas da

derecho a la obtencion del tıtulo de Graduado o Graduada, con la denominacion especıfica que, en

cada caso, figure en el Registro de Universidades, Centros y Tıtulos. En el Suplemento Europeo

al Tıtulo se hara referencia a la rama de conocimiento en la que se incardine el tıtulo.

Los planes de estudios conducentes a la obtencion del tıtulo de Graduado han de tener 240 creditos,

que han de contener toda la formacion teorica y practica que el estudiante deba adquirir: aspectos

basicos de la rama de conocimiento, materias obligatorias u optativas, seminarios, practicas exter-

nas, trabajos dirigidos, trabajo de fin de Grado u otras actividades formativas. Estas ensenanzas

concluyen con la elaboracion y defensa de un trabajo de fin de Grado. El plan de estudios debe

contener, asimismo, un mınimo de 60 creditos de formacion basica, de los que, al menos 36 estaran

vinculados a algunas de las materias basicas correspondientes a la rama de conocimiento a la que

se adscribe el tıtulo. Estas materias se han de concretar en asignaturas con un mınimo de 6 credi-

tos cada una y ofertarse en la primera mitad del plan de estudios. Los restantes hasta 60 creditos

deben estar configurados por materias basicas de la misma u otras ramas de conocimiento, o por

otras materias siempre que sean de caracter basico para la formacion inicial del estudiante o de

caracter transversal. Cuando se programen practicas externas, han de tener una extension maxima

38

de 60 creditos y ofrecerse preferentemente en la segunda mitad del plan de estudios. Por ultimo,

el trabajo de fin de Grado ha de tener entre 6 y 30 creditos, realizarse en la fase final del plan de

estudios y orientarse a la evaluacion de competencias asociadas al tıtulo.

Ensenanzas de Master. Las ensenanzas de Master tienen como finalidad la adquisicion por el

estudiante de una formacion avanzada, de caracter especializado o multidisciplinar, orientada a la

especializacion academica o profesional, o bien a promover la iniciacion en tareas investigadoras.

La superacion de estas ensenanzas da derecho a la obtencion del tıtulo de Master Universitario,

con la denominacion especıfica que figure en el Registro de Universidades, Centros y Tıtulos.

Los planes de estudios conducentes a la obtencion de los tıtulos de Master Universitario han de

tener entre 60 y 120 creditos, conteniendo toda la formacion teorica y practica que el estudiante

debe adquirir: materias obligatorias, materias optativas, seminarios, practicas externas, trabajos

dirigidos, trabajo de fin de Master, actividades de evaluacion, y otras que resulten necesarias segun

las caracterısticas propias de cada tıtulo. Estas ensenanzas concluyen con la elaboracion y defensa

publica de un trabajo de fin de Master, que ha de tener entre 6 y 30 creditos.

Ensenanzas de Doctorado. Las ensenanzas de Doctorado, que tienen como finalidad la forma-

cion avanzada del estudiante en las tecnicas de investigacion, pueden incorporar cursos, seminarios

u otras actividades orientadas a la formacion investigadora e incluyen la elaboracion y presenta-

cion de la correspondiente Tesis Doctoral, consistente en un trabajo original de investigacion. La

superacion de estas ensenanzas da derecho a la obtencion del tıtulo de Doctor o Doctora, con la

denominacion que figure en el Registro de Universidades, Centros y Tıtulos.

Para obtener el tıtulo de Doctor o Doctora es necesario haber superado un perıodo de formacion y

un perıodo de investigacion organizado. Al conjunto organizado de todas las actividades formativas

y de investigacion conducentes a la obtencion del tıtulo se denomina Programa de Doctorado. El

acceso al perıodo de formacion de un Programa de Doctorado requiere las mismas condiciones que

el acceso a un Master, mientras que para acceder al perıodo de investigacion es necesario estar

39

en posesion de un tıtulo oficial de Master Universitario, u otro del mismo nivel expedido por una

institucion de educacion superior del Espacio Europeo de Educacion Superior. La tesis doctoral

consiste en un trabajo original de investigacion elaborado por el candidato en cualquier disciplina.

La Universidad debe establecer los procedimientos con el fin de garantizar la calidad de las tesis

doctorales tanto en su elaboracion como en el proceso de evaluacion.

Los planes de estudios conducentes a la obtencion de tıtulos oficiales, una vez elaborados por

las universidades, han de ser verificados por el Consejo de Universidades, siendo remitidos a la

Agencia Nacional de Evaluacion de la Calidad y Acreditacion (ANECA) para que elabore el

correspondiente informe de evaluacion de caracter preceptivo y determinante. Ademas, los tıtulos

universitarios oficiales han de someterse a un procedimiento de evaluacion cada 6 anos a contar

desde la fecha de su inclusion en el Registro de Universidades, Centros y Tıtulos, con el fin de

mantener su acreditacion.

40

2.2.2. Centro

En una segunda capa de nuestro itinerario desde los aspectos docentes generales de los Planes de

Estudios a los especıficos de las asignaturas de QF, debemos detenernos en los Centros (Facultades

y Escuelas en general) que son los encargados directamente de organizar los Tıtulos ofertados por

cada Universidad. En el caso de la Universidad de Oviedo, la reorganizacion de centros llevada

a cabo recientemente ha reducido el numero de los mismos con responsabilidades en Tıtulos de

Grado que contengan asignaturas asignadas parcial o totalmente al area de QF. En la actualidad,

la Escuela Politecnica de Ingenierıa de Gijon (EPI), la Escuela Superior de Marina Civil (ESMC)

y la Escuela Politecnica de Mieres (EP) imparten hasta once Tıtulos de Grado con este tipo de

asignaturas. Hay que anadir el Grado en Fısica (Facultad de Ciencias), el Grado en Biotecnologıa

(Facultad de Biologıa) y los Grados en Ingenierıa Quımica y Quımica (Facultad de Quımica). En

la Tabla 2.3 se recogen las asignaturas asignadas a QF clasificadas por centros y titulaciones. Es

en el Tıtulo de Grado en Quımica donde nos vamos a detener por ser el que acumula un mayor

numero de asignaturas y creditos de QF, y en donde tiene sentido la ensenanza de la QF de un

modo global, y al menos en pie de igualdad al compararla con el resto de areas de conocimiento.

La Quımica es una disciplina que se imparte desde hace muchos anos en la mayor parte de las

universidades europeas. En el Libro Blanco [14] se declara que se trata de una parte de la Ciencia

cuyos principios estan bien establecidos y que contribuye de manera notable al desarrollo de nuestra

sociedad. Veamos cual ha sido el camino seguido para que esta disciplina sea ofertada como el

Tıtulo de Grado en Quımica en la Universidad de Oviedo.

2.2.2.1. The Chemistry Eurolabels

Como he senalado anteriormente, la Red European Chemistry Tematic Network (ECTN) estable-

cio a traves de su participacion en el Proyecto Tuning [9] los puntos de referencia comunes para

los estudios de Quımica en Europa. De hecho, el Grupo de Quımica en el Programa Tuning es el

primero en desarrollar dos plantillas europeas acreditadas (conocidas como Eurolabels), el Che-

41


Fac. de Quımica Grado en Quımica Quımica General

Operaciones Basicas de Laboratorio y Herramientas Informaticas

Quımica Fısica I

Experimentacion en Quımica Fısica I

Quımica Fısica II

Quımica Fısica III

Experimentacion en Quımica Fısica II

Simulaciones Computacionales en Quımica

Grado en Ing. Quımica Quımica Fısica

Grado en Ing. Quımica Laboratorio de Quımica I

Tabla 2.3: Docencia asignada al area de Quımica Fısica en los Tıtulos de Grado y Master de la Universidad de

Oviedo

42


EPI (Gijon) Grados en Ingenierıa Quımica

Grado en Ingenierıa Industrial Quımica Ampliacion de Quımica

Grado en Ingenierıa Industrial Quımica Experimentacion en Quımica y Tecnologıa Quımica

ESMC (Gijon) Grados en Ingenierıa Quımica

EP (Mieres) Grados en Ingenierıa Quımica

Fac. de Biologıa Grado en Biotecnologıa Tratamiento de Datos Experimentales

Termodinamica y Cinetica

Experimentacion en Biotecnologıa I

Experimentacion en Biotecnologıa II

Termodinamica de los Sistemas Biologicos

Fac. de Ciencias Grado en Fısica Fundamentos de Quımica

Univ. Oviedo Master en CTM Tecnicas de Analisis y

Caracterizacion de los Materiales I

Master en QTMC Solid State Electronic Structure

Chemical Reactivity

Tabla 2.4: (continuacion)

43

mistry Eurobachelor [12], para los programas de grado de primer ciclo, y el Chemistry Euromaster

[13], para el segundo ciclo.

En primer lugar, se propone un modelo de Eurobachelor en Quımica como guıa para los planes

de estudio de Quımica en las Universidades Europeas, propuesta que se aprueba en su version

definitiva en Junio de 2006. Durante el desarrollo del Chemistry Eurobachelor, la ECTN discute

sobre el interes de trabajar de modo analogo para los estudios de segundo ciclo, opcion que

finalmente se lleva a cabo. De este modo, se desarrolla un segundo programa piloto aprobado por

la Comision Europea que se finaliza en Abril de 2008, dando lugar al Euromaster, que recibe la

etiqueta de calidad para los estudios de segundo ciclo.

Chemistry Eurobachelor. El Eurobachelor en Quımica se decanta por un modelo de 180 credi-

tos, pero deja a cada paıs o universidad la decision de que se imparta en 180 o 240 creditos ECTS.

Aquellas instituciones que se decidan por un modelo de 210 o 240 creditos excederan obviamente

los criterios tal como se definen en el Eurobachelor, pero se espera que utilicen el marco Euro-

bachelor y definan los restantes 30 o 60 creditos de acuerdo con los criterios que se establecen.

El principal objetivo de la cualificacion Eurobachelor es proporcionar un primer ciclo que sea re-

conocido por otras instituciones europeas como un grado que proporcionara automaticamente el

derecho de acceso (que no de admision, que es competencia de la institucion) a programas Master

de Quımica.

Segun las directrices que marca el Eurobachelor, todos los estudiantes al finalizar este grado deben

ser competentes en los siguientes conceptos fundamentales de la Quımica:

Aspectos principales de terminologıa quımica, nomenclatura, convenciones y unidades.

Los principales tipos de reaccion quımica y las caracterısticas mas importantes asociadas

con ellas.

Los principios y procedimientos utilizados en analisis quımico y la caracterizacion de com-

puestos quımicos.

44

Las principales tecnicas de investigacion estructural, incluyendo la espectroscopıa.

Las caracterısticas de los diferentes estados de la materia y las teorıas utilizadas para des-

cribirlos.

Los principios de la mecanica cuantica y su aplicacion a la descripcion de la estructura y

propiedades de atomos y moleculas.

Los principios de termodinamica y sus aplicaciones en quımica.

La cinetica del cambio quımico, incluyendo catalisis; la interpretacion de los mecanismos de

las reacciones quımicas.

Las propiedades caracterısticas de elementos y sus compuestos, incluyendo las relaciones y

tendencias entre grupos dentro de la Tabla Periodica.

Las caracterısticas estructurales de los elementos quımicos y sus compuestos, incluyendo

estereoquımica.

Las propiedades de los compuestos alifaticos, aromaticos, heterocıclicos y organometalicos.

La naturaleza y comportamiento de los grupos funcionales en moleculas organicas.

Los principales mecanismos de sıntesis en quımica organica, incluyendo interconversiones de

grupos funcionales y formacion de enlaces carbono-carbono y heteroatomo-carbono.

La relacion entre las propiedades globales y las propiedades de atomos individuales y molecu-

las, incluyendo macromoleculas (tanto naturales como sinteticas), polımeros y otros mate-

riales relacionados.

La estructura y reactividad de biomoleculas y la quımica de procesos biologicos importantes.

Se establece asimismo en el Eurobachelor las diferentes habilidades, destrezas y competencias

que se espera que los estudiantes desarrollen en el nivel de grado, y que se pueden dividir en

45

tres amplias categorıas: (i) habilidades y competencias cognoscitivas relativas a la Quımica, (ii)

habilidades y destrezas practicas relativas a la Quımica y (iii) competencias genericas desarrolladas

en el contexto de la Quımica y que son de naturaleza general y aplicables en otros contextos.

A continuacion se detallan las principales habilidades y competencias que cabe esperar adquieran

los estudiantes en el grado de Quımica segun el programa Eurobachelor. En la primera categorıa

el alumno debe alcanzar las siguientes habilidades y competencias cognoscitivas relativas a la

Quımica:

Capacidad de demostrar conocimiento y entendimiento de los hechos esenciales, conceptos,

principios y teorıas que se han indicado anteriormente.

Capacidad de aplicar tal conocimiento y entendimiento a la solucion de los problemas cua-

litativos y cuantitativos de una naturaleza familiar.

Competencias en la evaluacion, interpretacion y sıntesis de informacion quımica y datos.

Capacidad para reconocer e implementar ciencia de medida buena y practica.

Competencias en presentacion de material cientıfico y argumentos por escrito y oralmente,

a una audiencia informada.

Habilidades computacionales e informaticas, relacionadas con la informacion quımica y datos.

En la segunda categorıa referente a las habilidades y destrezas practicas relativas a la Quımica, el

alumno debe conseguir:

Destreza en el manejo seguro de materiales quımicos, teniendo en cuenta sus propiedades

fısicas y quımicas e incluyendo cualquier peligro especıfico asociado con su empleo.

Destreza requerida para llevar a cabo procedimientos estandar de laboratorio y utilizacion

de instrumentacion en trabajo de sıntesis y analıtico, tanto para sistemas organicos como

inorganicos.

46

Destreza para la adquisicion, mediante observacion y medida, de propiedades o cambios

quımicos, ası como su registro, de manera sistematica y confiable, y documentacion.

Capacidad de interpretar datos derivados de observaciones de laboratorio y medidas en

terminos de su importancia y de relacionarlos con la correspondiente teorıa.

Capacidad para llevar a cabo evaluaciones de riesgo que conciernen al empleo de sustancias

quımicas y a los procedimientos de laboratorio.

Finalmente dentro de la tercera categorıa referente a competencias genericas, el alumno debe

alcanzar:

Capacidad para aplicar los conocimientos a la practica, con competencias para la resolucion

de problemas relacionados tanto con informacion cualitativa como cuantitativa.

Habilidades de calculo, incluyendo aspectos tales como analisis de errores, estimacion de

ordenes de magnitud y uso correcto de unidades.

Competencias de manejo de informacion a partir de fuentes tanto primarias como secun-

darias, incluyendo la recuperacion de informacion mediante busquedas con ordenador en

lınea.

Capacidad de analizar material y sintetizar conceptos.

Capacidad de adaptacion a nuevas situaciones y toma de decisiones.

Habilidades en tecnologıa de la informacion, tales como procesamiento de textos y empleo

de hojas de calculos, obtencion y almacenamiento de datos, uso de internet para temas

relacionados.

Capacidad de planificacion.

Habilidades interpersonales, relacionadas con la capacidad de actuar recıprocamente con

otra gente y el trabajo equipo.

47

Capacidad de comunicacion, tanto oral como escrita, en una de las lenguas principales eu-

ropeas, ademas de la lengua en la que se ha cursado el grado.

Capacidades de estudio necesarias para continuar el desarrollo profesional, incluyendo en

particular la capacidad de trabajar de manera autonoma.

Compromiso etico.

En el Eurobachelor se recomienda (sobre la base de 180 creditos ECTS) que el tıtulo de Quımica

se organice en forma modular, de forma que cada modulo corresponda a un mınimo de 5 creditos

ECTS. La utilizacion de dobles o triples modulos puede ser necesaria para algunas asignaturas o

para la realizacion del proyecto (15 creditos ECTS). La titulacion no podra tener mas de 34 modu-

los (para 180 creditos ECTS). Se proponen tres tipos de modulos: obligatorios, semi-opcionales y

opcionales.

Las materias correspondientes al tronco comun (core) se consideran como obligatorias, entre estas

se incluye: Quımica General, Quımica Analıtica, Quımica Inorganica, Quımica Organica, Quımica

Fısica, Quımica Biologica, Fısica y Matematicas. Los modulos semiopcionales se refieren a algunas

materias importantes que deberıan cursar los estudiantes, pero que no forman parte del core.

Como ejemplos se indican Quımica Teorica y/o Computacional, Quımica Tecnica, Quımica de

las Macromoleculas, Bioquımica, recomendandose al menos tres de estos modulos de, al menos, 5

creditos. En cuanto a los modulos opcionales, se trata de otros modulos de quımica o incluso otros

como, por ejemplo, idiomas.

En el apartado de clases practicas se indica que pueden ser organizadas como modulos separados

o integrados, ya que ambas alternativas tienen sus ventajas e inconvenientes. Si los modulos son

separados, los contenidos son mas transparentes, pero los integrados ofrecen mejores posibilidades

para sincronizar teorıa y practica. Tambien se hace enfasis en el Eurobachelor en la necesaria

valoracion de la Tesis de Bachelor (Proyecto de Fin de Grado, mınimo 15 creditos) y el dominio

de una segunda lengua oficial, para la obtencion del tıtulo.

48

De este modo, sobre 180 creditos, 90 corresponderıan al core o tronco comun, 15 al proyecto y

75 serıan de libre eleccion para cada institucion. Se insiste en que los 90 creditos indicados deben

considerarse como un mınimo, de manera que a menudo se excedera este valor, sobre todo en

grados con 210 o 240 creditos.

El programa Eurobachelor destaca tambien algunos metodos de ense nanza y aprendizaje ası como

procedimientos y criterios de evaluacion. En el ambito de los metodos de ensenanza el programa

destaca los siguientes:

Las clases teoricas deberan apoyarse en tecnicas multimedia con resolucion de problemas

practicos.

Deberan existir elementos de investigacion (proyecto obligatorio o tesis de graduacion).

Se deberan incentivar los grupos reducidos (tutorıas).

Se deberan coordinar los profesores de los distintos modulos para evitar una sobrecarga de

trabajo al estudiante.

Es aconsejable organizar grupos de evaluacion didactica con participacion de estudiantes.

En cuanto a los metodos y criterios de evaluacion, el programa considera que se debe combinar

examenes escritos, examenes orales, cuadernos de laboratorio, resolucion de problemas practicos,

presentaciones orales y un proyecto final. Ademas, tambien deben tenerse en cuenta otros elemen-

tos como busquedas bibliograficas, trabajos de grupo y preparacion de presentaciones (posteres),

incluyendo el proyecto.

Las evaluaciones se realizaran con examenes al final de cada cuatrimestre, no excluyendose los

examenes generales al final de la titulacion (de duracion no superior a 2-3 horas). Tambien se

considera que deberan predominar los examenes escritos por su mayor objetividad (permiten una

segunda correccion si existe solicitud de revision por parte del estudiante). Las preguntas deberan

49

estar basadas fundamentalmente en problemas practicos que permitan evaluar la capacidad del

estudiante y no solo su memoria.

Chemistry Euromaster. El objetivo general del Euromaster en Quımica no es otro que pro-

porcionar un estandar que permita obtener automaticamente el derecho de acceso a programas

de doctorado en cualquier institucion europea, ası como el reconocimiento de los graduados como

quımicos europeos tanto por los empleadores (competentes para su contratacion como profesiona-

les quımicos en industrias quımicas o relacionadas y en servicios publicos) como por el Consejo de

Registro Quımico Europeo del EuCheMS.

El Euromaster establece que estos programas requieran normalmente entre 90 y 120 creditos ECTS.

Teniendo en cuenta que el grado se define en una horquilla entre 180 y 240 creditos a eleccion por

los diferentes paıses, nos podemos encontrar con un rango de creditos para el conjunto grado +

master entre un mınimo de 270 (180 + 90) y un maximo de 360 (240 +120). En cualquier caso, se

indica en el Euromaster que no debe ser penalizada la movilidad de los estudiantes impidiendo que

accedan a un master de 90 creditos si provienen de un grado de 180 creditos (a pesar de algunos

requerimientos nacionales que exigen un mınimo de 300 creditos para el grado mas el master).

En el Euromaster se establece que del total de creditos de un programa de estudios de master

(entre 90 y 120), al menos 60 deben corresponder al nivel master. Este hecho es importante al

considerar la flexibilidad en los programas de master ya que, por ejemplo, un graduado en fısica

puede acceder a un postgrado en quımica, para lo cual es necesario que lleve a cabo una carga

de trabajo a nivel de grado para alcanzar los resultados de aprendizaje definidos. Por ello, un

programa de master debera incluir creditos extra para completar la formacion de los estudiantes.

Por tanto, hay que asegurar una formacion mınima en el programa a nivel master.

El objetivo academico de un postgrado en ciencias quımicas es proporcionar a los estudiantes una

capacidad de investigacion mucho mas amplia y profunda que la obtenida en el proyecto de fin

de grado. En consecuencia, se debe completar con exito un proyecto de investigacion con una

50

calidad suficiente para que los resultados obtenidos sean potencialmente publicables. A esta Tesis

de Master se le han de asignar normalmente al menos 30 creditos. En cuanto a los contenidos, se

considera que un programa de master ha de ser mucho mas flexible que un programa de grado,

por lo que no es adecuado establecer una lista de contenidos ya que segun las necesidades de cada

institucion los programas pueden ser mas generalistas o especializados.

Por lo que respecta a las habilidades, destrezas y competencias, hay que senalar que cabe espe-

rar que los estudiantes provenientes de un grado de quımica desarrollen con mayor profundidad

las obtenidas en el grado, mientras que los estudiantes de otro tipo de grado, tendran que desa-

rrollarlas durante el master. A continuacion se listan las principales habilidades, competencias

y destrezas que cabe esperar que los estudiantes tengan al finalizar su Euromaster en Quımica.

Dentro del ambito de habilidades y competencias cognoscitivas relativas a la Quımica, el programa

Euromaster destaca las siguientes:

Capacidad de demostrar conocimiento y entendimiento de los hechos esenciales, conceptos,

principios y teorıas relacionados con las areas objeto de estudio del programa master.

Capacidad de aplicar tal conocimiento y entendimiento a la solucion de los problemas cua-

litativos y cuantitativos de una naturaleza no familiar.

Capacidad para adoptar y aplicar metodologıa para la solucion de problemas no familiares.

En el apartado de habilidades y destrezas practicas relativas a la Quımica, el programa Euromaster

senala las siguientes:

Destreza requerida para llevar a cabo procedimientos de laboratorio avanzados y utilizacion

de instrumentacion en trabajo de sıntesis y analıtico.

Capacidad para planificar y llevar a cabo experimentos independientemente y ser autocrıtico

en la evaluacion de los procedimientos experimentales y los resultados.

Capacidad de tomar responsabilidades en el trabajo de laboratorio.

51

Capacidad para usar y entender los lımites de exactitud de datos experimentales para infor-

mar la planificacion de futuros trabajos.

En el programa tambien se hace hincapie a una serie de competencias genericas que se listan a

continuacion:

Destrezas de estudio necesarias para continuar el desarrollo profesional.

Capacidad para interactuar con cientıficos de otras disciplinas en problemas inter- y multi-

disciplinares.

Capacidad para asimilar, evaluar y presentar resultados de investigacion objetivamente.

El Euromaster recomienda que el programa se organice en forma modular, de forma que cada

modulo corresponda a un mınimo de 5 creditos ECTS. La utilizacion de dobles o triples modulos

puede preverse tambien. La Tesis de Master requiere al menos 30 creditos. Por otra parte, los

modulos pueden definirse como obligatorios, semi-opcionales (el estudiante selecciona uno o mas

modulos de una oferta limitada) y opcionales (el estudiante elige de una oferta mucho mas amplia).

Por otra parte, se hace especial mencion a que al nivel de Euromaster es necesario adquirir una

habilidad en lenguas que debe incluir competencias de comunicacion en ingles, idioma habitual en

la comunicacion cientıfica.

En cuanto a los metodos de ensenanza y aprendizaje, se considera que pueden ser aplicadas

numerosas aproximaciones, siendo siempre considerable la implicacion del elemento investigacion.

Las clases teoricas deben apoyarse en tecnicas de ensenanza multimedia siempre que sea posible,

incidiendo en la resolucion de problemas. Se trata del ambito ideal para la ensenanza en grupos

reducidos, siendo recomendable considerar la figura del tutor/mentor. En cuanto a la evaluacion,

debe ser disenada para cubrir los resultados de aprendizaje definidos. Por lo que respecta al trabajo

de los cursos, se puede evaluar mediante examenes escritos y orales, cuadernos de laboratorio,

resolucion de problemas practicos, presentaciones orales y preparacion y presentacion de posteres

sobre la tesis u otros trabajos. En la evaluacion de la Tesis de Master algunos aspectos que deben

52

considerarse son la capacidad intelectual y cientıfica adquirida por el estudiante, la comprension

del proyecto y la organizacion, planificacion y correcta presentacion del informe.

2.2.2.2. El Libro Blanco de Quımica

En el marco de la convocatoria de la Agencia Nacional de Evaluacion de la Calidad y Acreditacion

(ANECA) sobre Ayudas para el disenno de Planes de Estudio y Tıtulos de Grado, se constituye

una Red Nacional de Quımica formada por las 33 universidades publicas y 3 privadas en las que

se imparte el Tıtulo de Licenciado en Quımica. Los trabajos llevados a cabo por esta Red, con

el objetivo explıcito de realizar estudios y supuestos practicos utiles en el diseno de un Tıtulo de

Grado en Quımica adaptado al Espacio Europeo de Educacion Superior (EEES), culminan con la

publicacion del Libro Blanco para el Grado de Quımica del Programa de Convergencia Europea

de ANECA. El documento, de fecha abril de 2004, no constituye una propuesta vinculante, pero

es indudable su valor como instrumento para la reflexion. El Libro Blanco para el Grado de

Quımica recoge numerosos aspectos fundamentales en el diseno de un modelo de Tıtulo de Grado:

analisis de los estudios correspondientes o afines en Europa, caracterısticas de la titulacion europea

seleccionada, estudios de insercion laboral de los titulados durante el ultimo quinquenio, y perfiles

y competencias profesionales, entre otros aspectos. Finalmente, se propone una estructura general

de tıtulo sobre la base de diferentes modelos de estudios europeos seleccionados y, en especial, el

Eurobachelor en Quımica.

A continuacion se resume la estructura general del Grado de Quımica propuesta en el Libro

Blanco, que divide las materias en dos tipos de contenidos: formativos comunes e instrumentales

obligatorios y optativos. Para cada una de las materias se establecen los contenidos teoricos y

practicos mınimos, ası como los objetivos y capacidades a desarrollar. Estos aspectos se concretaran

en el capıtulo siguiente de este Proyecto Docente, ya que el Grado de Quımica a impartir en la

Universitat Jaume I se basa principalmente en el modelo propuesto por el Libro Blanco. Los

contenidos formativos comunes marcados por el Libro Blanco son:

53

Quımica General

Quımica Analıtica

Quımica Inorganica

Quımica Organica

Quımica Fısica

Bioquımica y Quımica Biologica

Fısica

Matematicas

Dentro de ese apartado se incluye tambien la realizacion de un proyecto o trabajo academico

dirigido que puede implicar trabajo de equipo. Dicho proyecto puede extenderse, ademas de al

ambito universitario, al de la industria quımica y otras instituciones publicas y privadas, siempre

y cuando se garantice la tutela academica del mismo.

En el ambito de los contenidos instrumentales obligatorios y optativos, el Libro Blanco senala los

siguientes:

Operaciones Basicas de Laboratorio

Calculo Numerico y Estadıstica Aplicada

Ingenierıa Quımica

Ciencia de Materiales

Adicionalmente, se deja un margen para que cada universidad pueda proponer contenidos propios

como opcionales que no supongan mas del 30 % del total del grado. Se sugiere para el primer curso

54

materias tales como Biologıa, Ingles Tecnico, Historia de la Ciencia o de la Quımica, Informa-

cion y Documentacion en Quımica, etc. Para anos posteriores se senalan materias como Quımica

Ambiental, Quımica Teorica y Computacional, Biotecnologıa, etc.

El Libro Blanco propone tambien una distribucion de los diferentes contenidos indicados y asigna-

cion de creditos europeos. El credito europeo ECTS representa la cantidad de trabajo del estudiante

para cumplir los objetivos del programa de estudios. En esta unidad de medida se integran las

ensenanzas teoricas y practicas, ası como otras actividades academicas dirigidas, con inclusion de

las horas de estudio y de trabajo que el estudiante debe realizar para alcanzar los objetivos forma-

tivos propios de cada una de las materias del correspondiente plan de estudios. Para determinar

los creditos ECTS de una asignatura se debe considerar, por tanto, la duracion de la asignatura,

el numero de horas presenciales de la asignatura, el numero de horas dedicadas a la preparacion

necesaria antes y despues de cada clase, la realizacion de examenes, el numero de horas invertidas

en el trabajo autonomo del alumno. Se valora en 60 creditos europeos el conjunto organizado

de materias/asignaturas que un estudiante medio, dedicado al estudio a tiempo completo, debe

superar en un ano, siendo su equivalencia en horas de trabajo aproximadamente 1600 horas (8

horas diarias, 5 dıas a la semana, durante 40 semanas al ano).

2.2.2.3. El Grado en Quımica de la Facultad de Quımica de Oviedo

La implatacion final del Grado en Quımica de la Facultad de Quımica de Oviedo llego tras re-

soluciones favorables de distintos organismos competentes. En su sesion del 27 de Noviembre de

2008, el Consejo de Gobierno de la Universidad de Oviedo acordo la aprobacion de la propuesta

referente a las ensenanzas de Grado en Quımica, que sustituirıa a la Licenciatura en Quımica de la

Facultad de Quımica. Posteriormente, el 5 de Junio de 2009 el pleno del Consejo de Universidades,

en la sesion de la Comision de Verificacion de Planes de Estudios, dicto resolucion de verificacion

positiva del plan de estudios correspondiente al Grado en Quımica de la Universidad de Oviedo.

Finalmente, la Comunidad Autonoma del Principado de Asturias autorizo la implantacion de la

ensenanza oficial de Grado en Quımica con fecha 29 de julio de 2009 (BOPA num. 177), fijando

55

la Consejerıa de Educacion y Ciencia el curso academico 2009-10 como punto de arranque de

la titulacion. Es decir, el grado en Quımica de la Universidad de Oviedo encara actualmente su

segundo a’no de implantacion, activandose las asignaturas de segundo curso.

Tal y como se recoge en la correspondiente Memoria de Verificacion [15], la titulacion de Grado en

Quımica pretende proporcionar a los estudiantes una formacion general y no especializada, solida,

equilibrada de conocimientos quımicos y habilidades practicas, que les capacite para resolver pro-

blemas relacionados con la Quımica en cualquier ambito profesional. Esta preparacion permitira a

los graduados desarrollar su actividad profesional en el sector productivo, en el ambito de la gestion

y en el de los negocios relacionados con la Quımica y otras areas afines. Asimismo, esta titulacion

debe preparar a los egresados para que sean capaces de desarrollar su actividad profesional como

docentes y sepan transmitir sus conocimientos quımicos a diferentes niveles. Ademas, la forma-

cion recibida debe asegurar a los estudiantes una base de conocimientos y habilidades con las que

puedan continuar sus estudios en areas especializadas de Quımica o en areas multidisciplinares.

Siguiendo la normativa general para la organizacion de los estudios de grado en el proceso de

transformacion de las titulaciones actuales al EEES, aprobada en Consejo de Gobierno de 23 de

julio de 2008, el Grado en Quımica se articula en cuatro cursos de 60 creditos ECTS cada uno. La

organizacion del conjunto de asignaturas es semestral, anual o mixta, con un numero mınimo de

creditos ECTS por asignatura de 6 y siempre multiplo de 3. La organizacion temporal mantiene

una distribucion homogenea del trabajo a realizar en cada semestre (30 ECTS por semestre). Si

aplicamos la equivalencia de 25 horas de trabajo del estudiante por cada credito ECTS, estos

tendrıan una ocupacion en torno a las 37 horas semanales incluyendo logicamente los perıodos de

examenes.

El Tıtulo se ha configurado en tres modulos (Basico, Fundamental y Optativo) y un Trabajo de

Fin de Grado (incluido dentro del modulo Fundamental), tal y como se muestra en la Tabla 2.5.

Los modulos Basico, con 60 creditos, y Fundamental, con 162 creditos, inician y completan la for-

macion en las materias obligatorias relacionadas con las principales disciplinas consideradas en el

56

Primer Curso Segundo Curso Tercer Curso Cuarto Curso

Quımica General (12) QO (12) QA II (12) Exp. en QA II (6)

Matematicas (12) Conceptos y Modelos en QI (6) QF II (6) Exp. en QF II (6)

Geologıa (6) QF I (6) Exp. en QO I (6) Exp. en QO II (6)

Fısica General I (6) QA I (6) QF III (6) Exp. en QI II (6)

Biologıa (6) Ingenierıa Quımica (6) Exp. en QII (6) Bioquımica (6)

Calculo Numerico Quımica de los Ele- Formulacion de Quım. de los Materiales (6)

y Estadıstica Aplicada (6) Representativos (6) Proy. en Quımica (6)

Fısica General II (6) Exp. en QF I (6) QO II (6) Trabajo Fin de Grado (18)

Operaciones Basicas de Lab. Exp. en QA I (6) Quımica de los Elementos Optativa 3 (6)

y Herramientas Informaticas (6) mentos de Transicion (6)

Optativa 1 (6) Optativa 2 (6)

Tabla 2.5: Distribucion por cursos de las asignaturas del Grado en Quımica en la Universidad de Oviedo. En azul

asignaturas del Modulo Basico, en rojo las del Modulo Fundamental y en verde las del Modulo Optativo. En negrita

asignaturas asignadas a QF y entre parentesis creditos ECTS

57

Chemistry Eurobachelor (QA, QF, QI, QO y Bioquımica) incluyendo contenidos y competencias

no quımicas relacionados con la Fısica, las Matematicas, la Geologıa, la Biologıa y la Informati-

ca aplicada a la Quımica. Siguiendo la estructura propuesta por la Conferencia de Decanos de

Quımica, se incluyen asignaturas de interes para ampliar las competencias de los graduados como

Ingenierıa Quımica, Quımica de Materiales y Formulacion de Proyectos en Quımica. Esta ulti-

ma es obligatoria para todos los estudiantes, ya que les permitira disponer de los conocimientos

necesarios para poder elaborar y firmar proyectos en Quımica, y adquirir una experiencia perso-

nal de primera mano acerca de lo que constituye la practica profesional. Ademas, siguiendo con

la estructura del anterior plan de estudios de 2001 de la Licenciatura en Quımica, las materias

quımicas distribuyen los creditos en asignaturas teoricas y asignaturas experimentales. Todas las

asignaturas de estos dos modulos son obligatorias, es decir, de los 240 creditos totales solo 18

creditos quedan para el modulo Optativo.

Este modulo Optativo permitira ampliar los conocimientos y competencias de los graduados me-

diante la eleccion de materias que definan un perfil mas profesional o mas academico. El estudiante

podra cursar 18 creditos optativos en forma de tres asignaturas, de 6 ECTS cada una, distribuidas

en el segundo, tercer y cuarto curso a razon de una asignatura optativa por curso. De este modo,

en el segundo curso el estudiante podra elegir entre Gestion en la Industria Quımica (materia

constituida por tres asignaturas optativas propuestas por los empleadores como complemento a la

formacion quımica) e Ingles (potenciacion de la expresion oral en otro idioma). En el tercer curso

se anaden a las anteriores las asignaturas optativas propuestas por cada una de las 4 areas quımi-

cas como complemento a la formacion fundamental (Toxicologıa Analıtica y Control Ambiental,

Simulaciones Computacionales en Quımica, Quımica Inorganica del Medio Ambiente o Moleculas

Organicas y Calidad de Vida) y las Practicas en Empresa. Finalmente, en el cuarto curso uni-

camente se seleccionara una asignatura optativa de entre las ofertadas por las areas quımicas o

bien las Practicas en Empresa. Alternativamente, hasta 6 de estos creditos optativos se podran

reconocer por la participacion en actividades universitarias culturales, deportivas, de representa-

cion estudiantil, solidarias y de cooperacion, tal y como se establece en el artıculo 12.8 del Real

58

Decreto 1393/2007.

El Trabajo Fin de Grado y las practicas externas se organizaran siguiendo la normativa general

que a tal efecto elabore la Universidad de Oviedo. En todo caso, en el momento de la presentacion

del Trabajo el estudiante debera tener superados todos los demas creditos necesarios para el Tıtulo

de Grado, es decir, 222 ECTS.

Al igual que venıa sucediendo en los Planes de Estudio de 1994 y 2001 (no ası en el de 1973),

la carga docente asignada a las cuatro areas de conocimiento genuinamente quımicas que parti-

cipan en el Grado en Quımica (QA, QF, QI, QO) es identica. Este reparto equitativo no parece

corresponderse con la asignacion de competencias especıficas de conocimiento que he recogido con

anterioridad, y mas bien parece ser el resultado de un acuerdo entre las cuatro areas. El acuerdo

incluye tambien a las asignaturas Quımica General y Operaciones Basicas de Laboratorio y He-

rramientas Informaticas del modulo Basico, adscritas por igual a las cuatro areas de conocimiento.

La Quımica Fısica en el contexto del Grado en Quımica y en otros Grados. Antes de

introducirme en el nivel mas proximo a la elaboracion de las Guıas Docentes de las asignaturas

propias del area de QF, quiero recopilar la presencia de la QF en el Tıtulo del Grado en Quımica de

la Facultad de Quımica de Oviedo, ası como en otros Tıtulos que ofertan centros de la Universidad

de Oviedo.

En cuanto al Tıtulo de Grado en Quımica, de los 60 creditos del Modulo Basico, QF participa

junto a QA, QI y QO con 4.5 creditos de la materia Quımica que comprende las asignaturas

Quımica General (QG) y Operaciones Basicas de Laboratorio y Herramientas Informaticas (OBL).

Practicamente la totalidad de los contenidos de QG aparecen explıcita o implicitamente (en un

nivel logicamente introductorio) en el temario general de QF presentado en la subseccion 2.1.2.

La asignatura OBL (de la que al igual que en QG he sido profesor desde el inicio del Grado) tiene

un alto porcentaje de practicas de laboratorio en donde la division en areas de conocimiento es

59

muy clara.

En el Modulo Fundamental aparece, al igual que sucede con las otras areas quımicas, la materia

Quımica Fısica de forma independiente. Esta materia comprende cinco asignaturas de seis creditos

cada una. Quımica Fısica I, Quımica Fısica II y Quımica Fısica III son asignaturas teoricas que

se imparten, respectivamente, en el primer cuatrimestre del segundo curso, en el primer cuatri-

mestre del tercer curso y en el segundo cuatrimestre del tercer curso. Las otras dos asignaturas,

Experimentacion en Quımica Fısica I y Experimentacion en Quımica Fısica II se imparten, res-

pectivamente, en el segundo semestre del segundo curso y en el prmer semestre de cuarto. De

acuerdo con la Memoria de Verificacion del Grado, los contenidos de la materia Quımica Fısica

tiene los siguientes descriptores:

Introduccion a la Termodinamica Quımica. Equilibrio material. Termodinamica de las diso-

luciones

Termodinamica de los sistemas electroquımicos

Introduccion a la Mecanica Cuantica. Quımica Cuantica. Espectroscopıa molecular. Difrac-

tometrıa

Fundamentos de termodinamica estadıstica

Fenomenos de transporte. Cinetica Quımica. Fenomenos de superficie

Experimentacion en Termodinamica Quımica. Experimentacion en Cinetica Quımica. Expe-

rimentacion en Espectroscopıa. Experimentacion en Fenomenos de Transporte

Introduccion a las tecnicas de simulacion

La presencia de la QF en el Grado en Quımica se completa con la oferta de una asignatura

en el Modulo Optativo. Se trata de Simulaciones Computacionales en Quımica, de seis creditos

60

impartidos en el segundo semestre bien del tercer o del cuarto curso. En la Memoria de Verificacion

los descriptores de esta asignatura son:

Introduccion a la programacion y a los metodos numericos en Quımica

Simulacion en Quımica Cuantica

Simulacion en Termodinamica Estadıstica

Simulacion en Cinetica

En consonancia con el EEES, el Grado en Quımica debe garantizar el desarrollo por parte de

los estudiantes de una coleccion de competencias genericas y especıficas. En lo que respecta al

Modulo Basico voy a enumerar aquellas que afectan al ambito de la QF por ser responsabilidad

de la materia Quımica:

Competencias Generales

Demostrar capacidad de analisis y sıntesis

Resolver problemas de forma efectiva

Poseer conocimientos de informatica relativos al ambito de la Quımica

Expresarse correctamene (tanto en forma oral como escrita) en castellano

Aprender de forma autonoma

Sensibilizarse con los temas vinculados con el medio ambiente

Desarrollar el razonamiento crıtico

Trabajar en equipo

Adquirir o poseer las habilidades basicas en TIC

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Competencias Especıficas-Conocimiento

Adquirir los fundamentos de la terminologıa quımica, nomenclatura, convenios y unidades

Relacionar las propiedades macroscopicas con las de los atomos y moleculas individuales

Reconocer la variacion de las propiedades periodicas de los elementos quımicos

Identificar las caracterısticas de los diferentes estados de la materia y las teorıas utilizadas

para describirlas

Describir los tipos de reacciones quımicas y sus principales caracterısticas asociadas

Aplicar los principios de la termodinamica y sus aplicaciones en Quımica

Competencias Especıficas-Habilidades

Resolver probelmas, cuantitativos y cualitativos segun modelos previamente desarrollados

Adquirir habilidad para evaluar, interpretar y sintetizar informacion quımica

Procesar y computar datos en relacion con la informacion y datos quımicos

Manipular con seguridad reactivos, instrumentos y dispositivos quımicos

Monitorizar mediante la observacion y medida de las propiedades quımicas, sucesos y cambios

recoplilando la informacion adecuada

Interpretar datos procedentes de observaciones y medidas de laboratorio en terminos de

significado y la teorıa que soporta

Utilizar correctamente los metodos inductivo y deductivo en el ambito de la Quımica

Reconocer y valorar los procesos quımicos en la vida diaria

Relacionar la Quımica con otras disciplinas

62

Realizar calculos y analisis de error con utilizacion correcta de magnitudes y unidades

Realizar, presentar y defender informes cientıficos tanto de forma escrita com oral ante una

audiencia

En lo que se refiere a las competencias de la materia QF en el Modulo Fundamental, aparecen tres

nuevas competencias generales con respecto de las del Modulo Basico:

Demostrar habilidades para la planificacion y organizacion

Poseer capacidad para tomar decisiones

Gestionar adecuadamente la informacion

Las nuevas Competencias Especıficas-Conocimiento del Modulo Fundamental son:

Comprender la cinetica del cambio quımico, incluyendo la catalisis y los mecanismos de

reaccion

Aplicar los principios de la mecanica cuantica en la descripcion de la estructura y propiedades

de atomos y moleculas

Adquirir las bases para aplicar y evaluar la interaccion radiacion-materia, los principios de

la espectroscopıa y las principales tecnicas de investigacion estructural

Conocer y aplicar los principios de electroquımica

Relacionar el fundamento de las tecnicas analıticas (opticas, electroquımicas, etc.) con sus

aplicaciones

y las nuevas Competencias Especıficas-Habilidades son:

Resolver problemas, cuantitativos y cualitativos segun modelos previamente desarrollados

63

Reconocer y analizar nuevos problemas dentro y fuera del ambito de la Quımica y plantear

estrategias para solucionarlos

Adquirir habilidad para evaluar, interpretar y sintetizar informacion quımica

Saber implementar buenas practicas cientıficas de medidas y experimentacion

Procesar y computar datos, en relacion con la informacion y datos quımicos

Monitorizar mediante la observacion y medida de las propiedades quımicas, sucesos o cambios

recopilando la informacion adecuada

Planificar, disenar y ejecutar investigaciones practicas, desde la etapa problema-descubrimiento

hasta la evaluacion y valoracion de los resultados y descubrimientos

Interpretar datos procedentes de observaciones y medidas de laboratorio en terminos de

significado y la teorıa que soporta

Valorar los riesgos en el uso de sustancias quımicas y procedimientos de laboratorio

Segun la Memoria del Grado, y debido al caracter fundamental e interdisciplinar de la QF, muchas

de estas competencias son tambien desarrolladas en materias adscritas a las otras tres areas de

conocimiento (QA, QI y QO).

La QF tiene presencia en otros Tıtulos de Grado tal y como se recoge en la Tabla 2.3. Las asig-

naturas correspondientes a cada uno de ellos se presentan brevemente a continuacion organizadas

por Centos.

Facultad de Ciencias. Grado en Fısica.

Fundamentos de Quımica. Carga docente: 6 creditos ECTS. Perıodo: primer curso, 2◦ se-

mestre. Breve descripcion de contenidos: Atomos, moleculas y reacciones quımicas. Cambios

energeticos y espontaneidad de los procesos quımicos. Estructura electronica de los atomos.

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Propiedades periodicas. Enlace quımico: Teorıa y tipos de enlace. Geometrıa molecular. Es-

tado gaseoso. Gases atmosfericos e hidrogeno. Lıquidos, solidos y fuerzas intermoleculares.

Quımica de las disoluciones acuosas. Electroquımica: Baterıas y celdas de combustible. Ma-

cromoleculas: Polımeros sinteticos y biomoleculas. Descripcion quımica de algunos materiales

avanzados.

Facultad de Biologıa. Grado en Biotecnologıa.

Tratamiento de Datos Experimentales. Carga docente: 6 creditos ECTS. Perıodo: 2◦ cur-

so, anual. Breve descripcion de contenidos: Estadıstica descriptiva, distribuciones, muestreo

y tests estadısticos. Introduccion al sistema operativo Unix, a la programacion y a la al-

gorıtmica. Modelos matematicos en biotecnologıa. Optimizacion y regresion, con especial

atencion a la utilizacion practica de la regresion no lineal. Resolucion numerica de ecuacio-

nes, sistemas de ecuaciones y ecuaciones diferenciales, con especial enfasis en sus aplicaciones

biotecnologicas.

Termodinamica y Cinetica. Carga docente: 6 creditos ECTS. Periodo: 2◦ curso, primer se-

mestre. Breve descricion de contenidos: Fundamentos de la Mecanica Estadıstica. Primer

principio de la Termodinamica. Segundo principio de la Termodinamica. Energıas de Gibbs

y de Helmholtz. Equilibrio material. Concepto de potencial quımico. Equilibrio de fases.

Disoluciones de no electrolitos. Disoluciones de electrolitos. Termodinamica del equilibrio

quımico. Equilibrio electroquımico. Cinetica y mecanismos de la reaccion quımica. Teorıas

de reacciones bimoleculares. Importancia biotecnologica de la catalisis heterogenea. Cinetica

de adsorcion y desorcion. Cinetica enzimatica.

Experimentacion en Biotecnologıa I. Carga docente: 9 creditos ECTS. Periodo: 2◦ curso,

primer semestre. Breve descricion de contenidos: Contenidos experimentales de Recursos

Biologicos, Quımica Organica, Termodinamica y Cinetica y Tecnicas Analıticas Instrumen-

tales.

Experimentacion en Biotecnologıa II. Carga docente: 9 creditos ECTS. Periodo: 2◦ curso,

65

2◦ semestre. Breve descripcion de contenidos: Contenidos experimentales correspondientes

a Estructura y Funcion de Proteınas, Metabolismo, Microbiologıa y Tratamiento de Datos

Experimentales.

Termodinamica de los Sistemas Biologicos. Carga docente: 6 creditos ECTS. Periodo: 4◦

curso, optativa de primer o 2◦ semestre. Breve descripcion de contenidos: Movimiento alea-

torio, friccion y difusion. Transiciones cooperativas en macromoleculas. Fundamentos de la

termodinamica fenomenologica de no equilibrio. Regimen lineal en termodinamica de no

equilibrio: relaciones de Onsager. Estados estacionarios y Teorema de la mınima produc-

cion de entropıa. Sistemas alejados del equilibrio y Estructuras disipativas. Oscilaciones en

reacciones enzimaticas. Motores moleculares. Bombas ionicas. Impulsos nerviosos.

EPI y ESMC de Gijon y EP de Mieres. Grados en Ingenierıas.

Quımica (comun a distintas titulaciones). Carga docente: 6 creditos ECTS. Periodo: primer

curso, 2◦ semestre. Breve descripcion de contenidos: Conceptos basicos en Quımica. Inter-

acciones intermoleculares. Estados de la materia. Disoluciones. Termodinamica Quımica y

fuentes de energıa. Control de los procesos quımicos: Cinetica y condiciones de equilibrio.

Clases de reacciones quımicas: Acido-base, precipitacion y oxidacion-reduccion. Estudio de

los elementos quımicos y sus compuestos.

EPI de Gijon. Grado en Ingenierıa Industrial Quımica.

Ampliacion de Quımica. Carga docente: 6 creditos ECTS. Periodo: 2◦ curso, 2◦ semestre. Bre-

ve descripion de contenidos: Termodinamica de mezclas. Equilibrio y procesos espontaneos.

Propiedades termodinamicas de mezclas homogeneas. Termoquımica. Equilibrio en las reac-

ciones quımicas. Enlace. Estructura en los compuestos de carbono. Descripcion general de las

reacciones organicas. Grupos funcionales en carbonos sp3. Grupos funcionales en carbonos

sp2. Propiedades generales de los compuestos inorganicos.

Experimentacion en Quımica y Tecnologıa Quımica. Carga docente: 6 creditos ECTS. Perio-

do: tercer curso, 2◦ semestre. Breve descripcion de contenidos: Determinacion de viscosidades

66

de lıquidos. Determinacion de conductividades calorıficas de solidos. Determinacion de coe-

ficientes de difusion. Determinacion de datos de equilibrio lıquido-vapor. Determinacion de

datos de equilibrio lıquido-lıquido. Determinacion de la temperatura humeda. Experimento

de Reynolds. Flujo de fluidos: friccion en tuberıas y accesorios. Cambiadores de calor. Desti-

lacion en una torre de platos. Operacion en reactores ideales. Sintonizacion de controladores.

Facultad de Quımica. Grado en Ingenierıa Quımica.

Quımica Fısica. Carga docente: 6 creditos ECTS. Periodo: primer curso, 2◦ semestre. Breve

descripcion de contenidos: Introduccion a la Termodinamica. Leyes de la Termodinamica.

Equilibrio material. Equilibrio de fases. Disoluciones. Equilibrio quımico. Sistemas electro-

quımicos. Termodinamica de superficies.

Laboratorio de Quımica I. Carga docente: 6 creditos ECTS. Periodo: 2◦ curso, primer se-

mestre. Breve descripcion de contenidos: Determinacion de masas moleculares. Calorimetrıa.

Determinacion de constantes de ionizacion. Estudio cinetico de reacciones. Espectrometrıa

de absorcion. Estudio experimental de propiedades quımicas de elementos y compuestos.

Sıntesis y caracterizacion de compuestos quımicos.

67

2.2.3. Departamento y Area de Conocimiento

Si pudieramos partir en atomos el marco docente del EEES nos encontrarıamos con las Guıas

Docentes. Son los elementos de referencia en el desarrollo de cada una de las asignaturas. En

cierto modo la Guıa Docente de una asignatura es un Proyecto Docente para la misma. He oido

en una oposicion reciente que no deben de entenderse como meros sustitutos de los antiguos

programas de las asignaturas, sino como autenticos contratos que firma el profesor (y da a firmar

a cada alumno tambien) y que hay que cumplir en el proceso docente. Posiblemente las Guıas

Docentes no han alcanzado todavıa ese papel, y responden por el momento al interes en informar

y orientar a los estudiantes, y a la conveniencia academica por planificar con antelacion. En la

Guıa Docente queda reflejado todo lo relativo a la asignatura en cuestion, desde los contenidos al

sistema de evaluacion, pasando por los aspectos didacticos/metodologicos y cualquier otro aspecto

relevante sobre la materia. Si no estuviera todo ello incluido, deberıa entonces modificarse la Guıa

Docente para tenerlo en cuenta.

Con la entrada en vigor de los nuevos Tıtulos de Grado, el profesorado universitario, con mayor o

menor acierto y entusiasmo, hemos comenzado la elaboracion de Guıas Docentes. Tras la evaluacion

de las mismas por distintas comisiones de calidad, hemos tenido tambien que revisarlas para

conseguir su aprobacion final por el Centro y la Universidad. Y esta tarea continuara los proximos

cursos. Creo que es clarificador y pertinente poner la atencion en el formato general de una

Guıa Docente describiendo los distintos epıgrafes de la misma. A esta tarea me dedicare en el

siguiente apartado. En un segundo apartado, recogere informacion sobre las Guıas Docentes de las

asignaturas asignadas a QF. Me detendre casi exclusivamente en las que forman parte del Tıtulo

de Grado en Quımica. Utilizare para su elaboracion, si ası lo demandan, los contenidos del temario

general descrito en la seccion 2.1.2, siguiendo las ligaduras impuestas por el contexto que he ido

desgranando en esta seccion.

68

Figura 2.1: Guıa Docente de Quımica General: 1. Identificacion de la asignatura

2.2.3.1. Las Guıas Docentes

Para ilustrar el formato de una Guıa Docente utilizare como ejemplo la Guıa Docente de la

asignatura de Quımica General del Grado en Quımica de la Facultad de Quımica de Oviedo. Se

trata de una asignatura con docencia parcial asignada a QF y en la que desde el incio del Grado

desempeno labores de coordinador. Ha habido pequenos retoques en la Guıa Docente de este curso

con respecto al curso anterior, y discusiones mas o menos prolongadas en el Departamento para

su primera aprobacion. Cuestiones como si la partıcula en la caja unidimensional o el potencial

quımico deben introducirse en el temario tienen adeptos y detractores, maxime cuando las clases

teoricas las va a impartir un profesor de otra area de conocimiento. Al hilo de la descricpcion de la

GD de Quımica General aprovechare para incorporar mis comentarios sobre el contenido de cada

epıgrafe en relacion con la propia asignatura.

En general, una GD se puede organizar en una plantilla de nueve puntos. El primero de ellos

(ver Fig. 2.1) contiene datos identificativos de la asignatura, sus coordenadas administrativas

y academicas, con su localizacion temporal en el Plan de Estudios. Incluye tambien datos y

direcciones sobre los profesores que la imparten. La asignatura es compartida por QA, QF, QI y

69

Figura 2.2: Guıa Docente de Quımica General: 2. Contextualizacion

QO, y el equipo docente de la asignatura esta formado por un profesor de cada una de ellas que debe

llevar la Guıa Docente (GD) a su Consejo de Departamento correspondiente para su aprobacion. En

ningun lugar de la GD se correlacionan las distintas tareas docentes con los profesores encargados

de llevarlas a cabo.

El segundo punto (ver Fig. 2.2) proporciona informacion sobre el contexto en el que la asignatura

se encuentra situada en el Plan de Estudios. Se incluyen generalidades sobre contenidos y obje-

tivos de la misma, la conveniencia de la asignatura para otras y la identificacion de cuales son

importantes para un mejor entendimiento de la asignatura en cuestion. Al ser una asignatura de

primero, la situacion recomendable para el alumno es que hubiera cursado todas las asignaturas

de Quımica, Fısica y Matematicas ofertadas en el bachillerato. Por desgracia, esto no ocurre con la

frecuencia deseada. En cualquier caso, es aconsejable que dediquen esfuerzos en las asignaturas de

Matematicas y Fısica del primer curso del Grado. La Quımica General es requisito para cursar las

asignaturas del Modulo Fundamental y puede producir entonces tapones para las matrıculas de los

cursos siguientes. Supone un buen soporte para la asignatura Operaciones Basicas de Laboratorio

y Herramientas Informaticas que se imparte en el segundo semestre dentro del Modulo Basico, y

70

Figura 2.3: Guıa Docente de Quımica General: 3. Requisitos

esta tambien asignada a las cuatro areas quımicas.

El tercer punto (ver Fig. 2.3) informa sobre los requisitos administrativos o academicos. En la GD

de Quımica General se repite la recomendacion sobre los contenidos que serıan aconsejables que el

alumno tuviera previamente, especificando en una lista aquellos conceptos quımicos que deberıan

manejar los alumnos al comenzar la asignatura.

En cuarto lugar (ver Fig. 2.4), la GD presenta los objetivos en terminos de Competencias, Ha-

bilidades y Actitudes. En terminos pedagogicos, se debe explicitar las mejoras y/o ganancias que

los alumnos obtendran como consecuencia de cursar esta asignatura. Normalmente se distinguen

tres tipos de objetivos o competencias. Los primeros, que aparecen con la propia calificacion de

Competencias hacen referencia a los conocimientos o contenidos de la materia y se corresponden

con lo que en la terminologıa al uso se denomina saber. Las segundas tienen que ver mas con com-

petencias genericas que no tienen por que ser propias de la asignatura y se conocen mejor como

herramientas de aprendizaje o de formacion (saber hacer). Las terceras estan vinculadas a valores

o actitudes importantes en funcion de la materia o de su sentido en el Plan de Estudios (ser).

La mayorıa de estos objetivos se relacionan con los que aparecen en las listas de competencias

generales (CG) y especıficas (CE) que aparecen en el Tıtulo de Grado, pero tambien se pueden

71

Figura 2.4: Guıa Docente de Quımica General: 4. Objetivos

anadir otras. Me parece especialmente importante que los estudiantes adquieran cierta perspectiva

historica sobre la aparicion de nuevos conceptos y teorıas, diferencien bien entre los sistemas (y

situaciones) modelo y los reales, y entre los modelos fenomenologicos y las teorıas basadas en

postulados y principios. Este epıgrafe se completa listando una coleccion de resultados esperables

del aprendizaje si los objetivos son satisfechos.

El quinto punto (ver Figs. 2.5, 2.6, 2.7, 2.8) esta dedicado al temario de la asignatura. Hay varios

formatos de tamanos diversos para presentarlo. El que aparece en el ejemplo que estamos siguiendo

contiene los tıtulos de las lecciones y media docena de epıgrafes para cada una de ellas. Mi prefe-

rencia por organizar los contenidos en grupos de lecciones de distinta naturaleza conceptual lleva

a la presentacion del temario de Quımica General dividido en seis bloques. Esto, pienso, ayuda al

profesor y al alumno a situarse en el transcurso del desarrollo de la asignatura. Incidentalmente, el

temario consensuado por las cuatro areas quımicas creo que muestra un ordenamiento y estructura

con marcado perfil quımico fısico. Sin entrar en disputas, esta deberıa ser la tonica de las quımicas

generales. La mayorıa de la materia se identifica o esta contenida dentro del temario general de

72

Figura 2.5: Guıa Docente de Quımica General: 5. Contenidos

QF. El primer bloque es introductorio y debe de utlizarse tambien de bienvenida a los estudiantes:

establecer la relacion entre el profesor y los alumnos en el contexto de la primera asignatura de

Quımica del Tıtulo estableciendo cual va a ser el tono del Lenguaje Quımico que vamos a utilizar.

El segundo bloque esta dedicado al mundo microscopico iniciandose en la Qu’mica Cuantica y

finalizando con los enlaces intermoleculares. El tercer y cuarto podrıan inrercambiarse (de hecho

esa sera la preferencia de muchos quımico fısicos). Muchas de las lecciones de estos dos bloques

contienen aspectos introductorios del bloque de Termodinamica del temario general de QF que

he presentado en la primera seccion de este capıtulo. Tambien se incluye una leccion de Cinetica.

El bloque V es tambien termodinamico y presenta los tradicionales tipos de equilibrio quımico. El

temario finaliza con un bloque de una leccion dedicado a la Quımica Nuclear, descriptor incluıdo

finalmente en la Memoria de Verificacion.

El sexto punto (ver Fig. 2.9) incluye la metodologıa utilizada en la imparticion de la asignatura

y desarrolla el plan de trabajo. Observamos que en Quımica General se utilizan cuatro tipo de

actuaciones docentes: las clases expositivas, las clases de problemas, los seminarios tutorados o

tutorıas grupales y las actividades conjuntas con otras asignaturas. El plan de trabajo muestra la

asignacion temporal de cada actuacion tanto de modo presencial como no presencial. Ademas, se

lleva a cabo la distribucion temporal de cada actuacion para cada leccion del temario teniendo en

cuenta tambien la presencialidad. Se procura mantener la ratio de 1.5 horas de trabajo del alumno

73

Figura 2.6: Guıa Docente de Quımica General: 5. Contenidos (continuacion)

74


75


sin profesor por cada hora en clase.

Quiza sea este punto el que presenta mas novedades y dificultades a la hora de elaborarse. Por un

lado aparecen nuevos modos de aprendizaje para los alumnos. En lo que respecta a la Quımica

General, las clases expositivas y las clases de problemas (tambien denominadas practicas de aula)

no introducen en general ningun cambio respecto a las practicas docentes anteriores a los Grados.

No sucede ası en los seminarios tutorados. Estos consisten en sesiones de clase del profesor con

un grupo reducido de alumnos (en torno a diez) que deben responder y argumentar con respecto

a las cuestiones de una hoja de ejercicios y problemas que se encuentra disponible con suficiente

antelacion. La hoja se corresponde con una parte de la asignatura ya impartida. Claro que puede

existir entonces una mayor cercanıa del profesor (que puede derivar en protectora), pero tambien

una exigencia de mayor implicacion a los estudiantes que si la cumplen les favorece en el aprendizaje

de la asignatura. El profesor debe evaluar a cada alumno en cada una de las sesiones (diez a lo

largo del curso) de forma que tiene lugar una verdadera evaluacion continua. Finalmente, existe

una coleccion de actividades conjuntas (visita a la biblioteca, visita a industrias, elaboracion de

76

Figura 2.9: Guıa Docente de Quımica General: 6. Metodologıa y plan de trabajo

77

Figura 2.10: Guıa Docente de Quımica General: 7. Evaluacion

posters, taller de lectura, etc.) que son comunes a todas las asignaturas del curso y que suelen ser

auspiciadas por el decanato del centro.

Por otro lado, la elaboracion del cuadro con la temporalizacion de la asignatura produce ciertos

choques con la naturaleza dinamica de la labor docente. Debemos cuadrar el numero de horas

presenciales y no presenciales de cada una de las lecciones, y eso genera resultados difıciles de

llevar a la practica (por ejemplo 0.33 horas para las celulas galvanicas en las tutorias grupales).

Debemos entender este cronograma de forma estimativa y orientativa para los alumnos, y se debe

tender al reajuste del mismo en la actualizacion de las GD que se lleva a cabo cada final de curso.

78

Figura 2.11: Guıa Docente de Quımica General: 8. Evaluacion del proceso docente y 9. Recursos

bibliograficos

En el septimo punto (ver Fig. 2.10), la GD recoge los criterios y modos de evaluacion. Como es

bien sabido, este es un aspecto de gran interes para el alumno y debe quedar suficientemenente

claro dadas las distintas posibilidades y variables que pueden darse. Ademas, como sucede en

esta asignatura de Quımica General, son cuatro los profesores que intervienen en la evaluacion

del 90 % de la nota, mientras que pare el restante 10 % hay que acudir a los profesores que hayan

participado en las actividades conjuntas. Este sistema parece tener propension hacia la eliminacion

de notas en los dos extemos del rango: es difıcil que todos los profesores involucrados coincidan

simultaneamente en una calificacion muy alta o muy baja de un alumno en todas las actividades

evaluables. Si esta tendencia se confirmara creo que deberıa de replantearse el procedimiento de

evaluacion.

De nuevo los seminarios tutorados introducen nuevos aspectos en la forma de calificar a los estu-

79

diantes. Ademas de los tradicionales examenes parciales, el 20 % de la calificacion final se obtiene

a partir del resultado de la evaluacion de estos seminarios. La trascendencia es mayor si nos per-

catamos que solo se calculara la nota en el caso de que los seminarios tutorados esten aprobados.

Esto obliga a llevar a cabo examenes finales separados para las clases expositivas y de problemas

por un lado, y para los seminarios tutorados por otro.

Los dos ultimos puntos de la GD ((ver Fig. 2.11) incluyen informacion sobre los modos de evalua-

cion del proceso docente por parte de los alumnos (con fines constructivos) y sobre los recursos

didacticos que se utilizan en las clases presenciales, junto con el acceso al material docente (todo

esta disponible en el Campus Virtural) y la bibliografıa utilizada en la asignatura, fundamental-

mente los textos de Petrucci [16] y Atkins [17].

2.2.3.2. Guıas Docentes de las asignaturas de Quımica Fısica del Grado en Quımica

de la Universidad de Oviedo

En primer lugar, de la asignatura que acompana a Quımica General en el Modulo Basico Opera-

ciones Basicas de Laboratorio y Herramientas Informaticas, con docencia tambien com-

partida con las otras areas quımicas, ası como de la asignatura del Modulo Optativo de Quımica

Fısica Simulaciones Computacionales en Quımica, proporciono informacion menos detallada

sin utilizar el formato de la Guıa Docente. A continuacion, siguiendo la plantilla que acabo de

detallar, presentare las Guıas Docentes de las cinco asignaturas obligatorias del Modulo Funda-

mental asignadas por completo al area de QF en el Tıtulo de Grado en Quımica de la Facultad

de Quımica de la Universidad de Oviedo.

Al igual que ocurre con Quımica General, la asignatura Operaciones Basicas de Laboratorio y

Herramientas Informaticas dispone en la actualidad de una Guıa Docente elaborada por el equipo

(del que soy miembro) que impartio la asignatura en el curso 09-10. Puede consultarse en:

http://www.uniovi.es/quimica/images/Documentos /Gradoquimica/guiasdocentes/obl.pdf. A la

guıa, que incluye algunas modificaciones para el curso 10-11, se accede en la direccion:

80

http://www.uniovi.es/quimica/images/Documentos/juntasdefacultad/guiasdocentesgrado.pdf.

La carga docente es de 6 creditos ECTS y se imparte en el segundo semestre del primer curso.

Senalo unicamente los contenidos relacionados en menor o mayor medida con el area de Quımica

Fısica. Esta asignatura se estructura en tres bloques. El Bloque A tiene por objeto introducir a los

estudiates los temas de seguridad y el material de laboratorio. El Bloque B se dedica a cuestiones

elementales sobre el tratamiento estadıstico de la informacion y a las herramientas informaticas

basicas en Quımica. Por ultimo, en el Bloque C se detallan las practicas de laboratorio, entre las

que hay programadas experiencias que cubren operaciones fısicas comunes (extraccion, destila-

cion, filtrado, etc.) y otras especıficas sobre termoquımica, velocidad de reaccion y conductividad

electrolıtica.

Esta asignatura se relaciona muy estrechamente con la Quımica General de primer curso: mientras

que la Quımica General proporciona unas nociones basicas de Quımica, la asignatura Operaciones

Basicas pretende la consolidacion de parte de esos conocimientos mediante la experimentacion.

En principio, la distribucion temporal de ambas asignaturas parece adecuada para lograr este

objetivo. Por otra parte, el desarrollo de habitos de trabajo correctos, entre los que se incluye

la elaboracion de un cuaderno de laboratorio con anotaciones claras y concisas, el uso adecuado

del material disponible en el laboratorio y el conocimiento de los riesgos asociados a cualquier

procedimiento experimental y las correspondientes medidas de seguridad a adoptar, son destrezas

directamente relacionadas con el resto de asignaturas experimentales del Grado.

La asignatura optativa Simulaciones Computacionales en Quımica se puede cursar en el segundo

semestre de tercer o de cuarto curso del Grado. Los contenidos de esta asignatura, ya adelantados

previamente en este documento, incluyen una introduccion a la programacion y a los metodos

numericos en Quımica, simulacion en Quımica Cuantica, simulacion en Termodinamica Estadıstica

y simulacion en Cinetica. Obviamene, y a la vista de los contenidos de las asignaturas de QF que

veremos mas adelante, serıa mas adecuado que los estudiantes cursasen esta asignatura en cuarto

curso.

81

Simulaciones Computacionales en Quımica tiene por objeto introducir a los estudiantes en el em-

pleo de programas informaticos para la modelizacion y simulacion del comportamiento de molecu-

las y sistemas quımicos, con el fin de caracterizar sus propiedades estructurales, termodinamicas

y dinamicas. Ası, una breve introduccion a la programacion y a los metodos numericos en Quımi-

ca podrıa permitir a los estudiantes realizar experiencias computacionales en Cinetica Quımica,

mediante la integracion de las ecuaciones diferenciales de distintos mecanismos de interes, o en

Quımica Cuantica, mediante la resolucion asistida de la ecuacion de Schrodinger en sistemas sen-

cillos como la partıcula en una caja sometida a diferentes tipos de potencial. A este respecto, serıa

deseable la utilizacion de software libre, facilmente accesible a los alumnos, como es el caso de

Octave y del sistema operativo Linux. Sin embargo, esto no serıa incompatible con la utilizacion

de software comercial, en general mas sencillo de utilizar y mas versatil. Por ejemplo, programas

como Gaussview y Gaussian en Quımica Cuantica hacen que la preparacion, ejecucion y analisis de

los calculos moleculares sean tareas relativamente sencillas, a la vez que muestran a los estudiantes

el amplio catalogo de niveles de calculo y de propiedades moleculares accesibles. Otro paquete co-

mercial con un alto interes didactico es Hyperchem, porque incorpora una potente interfaz grafica

y varias herramientas para automatizar la ejecucion y visualizacion de simulaciones de dinamica

molecular de macromoleculas o de disoluciones acuosas. Mediante este software serıa factible que

los alumnos tuviesen un primer contacto con las particularidades de las simulaciones de lıquidos

y con algunos conceptos mecanico-estadısticos. En cualquier caso, esta asignatura optativa puede

y deber hacerse atractiva para cualquier estudiante interesando en la utilizacion de las tecnicas

de simulacion como herramienta complementaria del trabajo experimental, y no unicamente para

aquellos alumnos con una clara inclinacion por la teorıa y el desarrollo de metodologıa.

82

Guıa Docente de Quımica Fısica I

Se puede acceder a la GD de esta asignatura desde las paginas web indicadas un poco mas arriba.

Aquı se traslada con algunos matices y comentarios la mayor parte de esa informacion.

1. Identificacion

La asignatura Quımica Fısica I se imparte en el primer semestre del segundo curso del Grado.

Se trata de una asignatura obligatoria de seis creditos ECTS de la Materia Quımica Fısica

del Modulo Fundamental.

2. Contextualizacion

La Quımica Fısica estudia los principios que gobiernan las propiedades y el comportamiento

de los sistemas quımicos. Un sistema quımico puede estudiarse desde los puntos de vista

microscopico o macroscopico. La asignatura Quımica Fısica I, la primera asignatura teorica

de la materia Quımica Fısica, introduce la metodologıa del estudio macroscopico de los

sistemas en equilibrio (termodinamica de equilibrio) y la aplica al estudio de diferentes

sistemas quımicos (termodinamica quımica).

Muchos de los contenidos de esta asignatura constituyen el fundamento imprescindible de

partes importantes de otras asignaturas de Quımica Fısica, y un marco de referencia para

muchas otras de las demas materias de Quımica. Los contenidos introducidos en Quımica

Fısica I son de gran utilidad, por ejemplo, para la asignatura Quımica Fısica III, donde

las lecciones de Termodinamica Estadıstica o la dedicada al estudio de los fenomenos de

superficie necesitan un buen dominio de las magnitudes termodinamicas y de las relaciones

que se pueden establecer entre ellas. Es imprescindible para la asignatura Experimentacion

en Quımica Fısica I, en la que se proponen especıficamente practicas de Termodinamica, y

de ayuda tambien, aunque en menor medida, para la asignatura practica Experimentacion

en Quımica Fısica II.

Por lo que respecta a las otras materias de Quımica, el conocimiento de la estructura formal,

83

la metodologıa y las aplicaciones de la Termodinamica es util, por ejemplo, para el estudio de

los distintos tipos de equilibrios tratados en Quımica Analıtica I (acido-base, de formacion de

complejos, de precipitacion, de oxidacion-reduccion, de reparto y de intercambio ionico). Las

tecnicas electroquımicas que se estudian en Quımica Analıtica II (potenciometrıa redox y

sensores potenciometricos, voltamperometrıa y coulombimetrıa) tambien se benefician de la

caracterizacion termodinamica de los sistemas electroquımicos presentada en Quımica Fısica

I. Y de modo mas general, cualquier argumentacion sobre la estabilidad de un elemento o

compuesto quımico, e incluso sobre su reactividad, que involucre sistemas y procesos estu-

diados en Quımica Organica e Inorganica, suele estar basada en analisis termodinamicos. Sin

animo de ser exhaustivo, la Quımica Fısica I aporta tambien fundamentos para asignaturas

de otras materias como la Ingenierıa Quımica, la Quımica de Materiales y la Bioquımica.

En resumen, los conocimientos adquiridos en Quımica Fısica I repercuten de forma notable en

el desarrollo de competencias y destrezas basicas del alumno y facilitan a este la comprension

y el manejo de conceptos de otras asignaturas, tanto de Quımica Fısica como de las restantes

materias quımicas y de otras no quımicas.

3. Requisitos

Esta asignatura amplıa y fundamenta los contenidos termodinamicos introducidos en la

Quımica General de primer curso. Ademas, aplica el formalismo termodinamico a sistemas y

condiciones de interes quımico, como las disoluciones o los distintos tipos de equilibrios, cuyas

principales caracterısticas fueron brevemente descritas en el curso anterior. Todo ello justifica

la necesidad de haber superado la asignatura Quımica General de primer curso para cursar

la Quımica Fısica I de segundo curso. Tal y como establece la Memoria de Verificacion, las

asignaturas Operaciones Basicas de Laboratorio y Herramientas Informaticas, Fısica General

I, Fısica General II y Matematicas deben ser tambien superadas para poder cursar alguna

de las asignaturas de segundo curso entre las que se encuentra Quımica Fısica I. Es cierto

que estas asignaturas son de gran interes para la Quımica Fısica I. Por ejemplo, una correcta

84

comprension del calculo diferencial de funciones de varias variables y del calculo integral,

introducidos en la asignatura de Matematicas, es fundamental para el trabajo posterior con

las funciones de varias variables propias de la Termodinamica. Los contenidos de mecanica

clasica de la asignatura Fısica General I incluyen conceptos como trabajo y energıa que

seran igualmente utiles en Quımica Fısica I. Existen muchos otros ejemplos, pero pienso que

si el nivel de exigencia en los requisitos no es el mismo para todas las asignaturas (y en

este caso pienso que es alto) se pueden crear desequilibrios en el desarrollo curricular de los

estudiantes.

4. Objetivos

Adquirir los conocimientos necesarios que un Graduado en Quımica debe tener para abordar

el estudio del comportamiento macroscopico de la materia en equilibrio.


• Demostrar capacidad de analisis y sıntesis

• Resolver problemas de forma efectiva

• Demostrar habilidades para la planificacion y organizacion

• Poseer capacidad para tomar decisiones

• Gestionar adecuadamente la informacion

• Expresarse correctamente

• Aprender de forma autonoma

• Sensibilzarse con los temas vinculados con el medio ambiente

• Desarrollar el razonamiento crıtico

Competencias Especıficas. Conocimientos

• Conocer los principios de la termodinamica y sus aplicaciones en Quımica

• Identificar las caracterısticas de los diferentes estados de la materia y las teorıas

utilizadas para describirlas

85

• Conocer y aplicar los principios de electroquımica

Competencias Especıficas. Habilidades

• Capacidad para demostrar el conocimiento y comprension de los hechos esenciales,

conceptos, principios y teorıas relacionadas con el area de la termodinamica quımica

• Adquirir habilidad para evaluar, interpretar y sintetizar los problemas de la termo-

dinamica quımica

• Resolver problemas cualitativos y cuantitativos segun modelos previamente desa-

rrollados

• Comprender y utilizar la informacion bibliografica

• Realizar calculos y analisis de error con utilizacion correcta de magnitudes y uni-

dades

Resultados de Aprendizaje

• Consultar y utilizar informacion cientıfica de forma eficaz

• Reconocer y analizar nuevos problemas en el ambito de la Quımica y planear es-

trategias para solucionarlos

• Demostrar conocimiento y comprension de los conceptos y leyes relacionados con

la Termodinamica Quımica y la Electroquımica.

5. Contenidos

Leccion 1. Primeras leyes de la Termodinamica. Quımica Fısica. Termodinamica. Con-

ceptos basicos, temperatura y ley cero. Calor y trabajo. Primera ley de la Termodinamica.

Segunda ley de la Termodinamica. Entropıa y espontaneidad

Leccion 2. Condiciones de cambio y de equilibrio material. Relaciones termodinami-

cas de un sistema homogeneo de composicion constante. Relaciones termodinamicas de siste-

mas homogeneos y heterogeneos de composicion variable: el potencial quımico. Magnitudes

86

molares parciales. Condiciones de espontaneidad y de equilibrio en terminos de propieda-

des intensivas (potenciales quımicos) y extensivas (potenciales termodinamicos). Equilibrio

material: equilibrio de fases y equilibrio quımico. La regla de las fases

Leccion 3. Sustancias puras: equilibrios y diagramas de fases. Diagramas de fases.

La ecuacion de Clapeyron. Equilibrios lıquido-vapor y solido-vapor: la ecuacion de Clausius-

Clapeyron. Equilibrio solido-lıquido. Transiciones de fase solido-solido. Transiciones de fase

de orden superior

Leccion 4. Sistemas de varios componentes. Gas puro ideal y mezcla de gases ideales.

Gas puro no ideal y mezcla de gases no ideales. Disoluciones ideales. Disoluciones diluidas

ideales. Disoluciones no ideales de no electrolitos. Estados normales, actividades y coeficientes

de actividad. Disoluciones de electrolitos. Propiedades coligativas. Diagramas de fases

Leccion 5. Equilibrio quımico. La constante de equilibrio y la funcion de Gibbs normal de

reaccion. Funciones termodinamicas normales de reaccion. Tercera ley de la Termodinamica.

Entropıas convencionales. Equilibrio de reacciones que implican gases. Equilibrio quımico en

disoluciones lıquidas. Equilibrio quımico heterogeneo

Leccion 6. Equilibrio electroquımico. Sistemas electroquımicos. Potencial electroquımi-

co. Condiciones de equilibrio de fases y de reaccion en un sistema electroquımico. Pilas

galvanicas. Termodinamica de las pilas galvanicas. Tipos de electrodos reversibles. Apli-

caciones de las medidas de fuerza electromotriz: determinacion de funciones normales de

reaccion. Equilibrio de membrana

6. Metodologıa y plan de trabajo.

De forma similar a la asignatura Quımica General, aunque prescindiendo de las actividades

conjuntas, se plantean tres tipos de actuaciones docentes: las clases expositivas, las clases

de problemas o practicas de aula y los seminarios tutorados o tutorıas grupales. Aquı, sin

embargo, se opta por dotar de atribuciones distintas a los seminarios tutorados. Las clases

87

expositivas desarrollan el programa teorico de la asignatura. En dichas clases el profesor

presenta y discute la materia objeto de estudio, haciendo especial hincapie en los aspectos

de mayor relevancia y dificultad, integrando aspectos teoricos y ejemplos para facilitar la

compresion de la materia. Por ello, es muy recomendable que el alumno asista regularmente

a clase aunque, obviamente, es necesario que complemente esta asistencia con el posterior

estudio del material recomendado en el aula.

En las practicas de aula se lleva a cabo la aplicacion especıfica de los conocimientos adqui-

ridos por los estudiantes en las clases expositivas. El alumno dispondra, con antelacion a

su discusion en el aula, de los enunciados de los correspondientes problemas numericos y

cuestiones. Es esencial que intente resolverlos por su cuenta antes de que sean tratados en

clase.

Las tutorıas grupales se desarrollan en grupos reducidos. En las mismas, los alumnos acla-

raran sus dudas con el profesor, y este tratara de estimularles el analisis y el razonamiento

crıtico. Para que las tutorıas grupales sean realmente efectivas para el aprendizaje de la asig-

natura, deben de estar dotadas de un contenido programado con antelacion. El contenido

propuesto consistira en una seleccion de ejercicios y cuestiones sobre aquellos puntos de la

materia impartida en las clases expositivas y en las practicas de aula que puedan presentar

mayores dificultades de ser asimilados.

Todos los materiales que se emplean en el desarrollo de las distintas actividades del curso

estaran a disposicion de los alumnos, bien en forma de fotocopias o en formato electronico

(material incorporado al Campus Virtual).

En el siguiente cuadro se muestra la dedicacion de un estudiante a esta asignatura. No

se han tenido en cuenta los examenes finales de Junio y Julio (ni se recogen las horas

correspondientes a las actividades transversales).

88

Horas presenciales Horas no presenciales Horas totales

Clases Expositivas 45 65 110

Practicas de aula 8 12 20

Tutorıas grupales 4 6 10

Sesiones de evaluacion 3 7 10

TOTAL 60 90 150

Tabla 2.6: Tiempos de trabajo estimados para la asignatura Quımica Fısica I del Grado en Quımica

Los tiempos de trabajo no presencial que se detallan son estimaciones promedio y recomen-

daciones. Se estima una dedicacion aproximada de 1,5 horas de estudio personal por cada

hora de clase expositiva, practica de aula y tutorıa grupal. Al finalizar el semestre se reali-

zara un examen final de alrededor de tres horas de duracion para el que se proponen unas 7

horas de preparacion (ademas del trabajo ya contemplado en el estudio de la asignatura e

incluido en la estimacion de horas no presenciales asignadas a clases expositivas, practicas

de aula y tutorıas grupales).

7. Evaluacion del aprendizaje de los estudiantes.

La evaluacion del estudiante se realizara en base a las calificaciones obtenidas en el control

de las clases expositivas (10 % de la calificacion final), el control de las practicas de aula y

tutorıas grupales (10 %) y en el examen final (80 %).

a) Controles de las clases expositivas y de las practicas de aula y tutorıas grupales. Se

realizaran dos pruebas presenciales de unos cuarenta y cinco minutos de duracion cada una,

y cuya calificacion correspondera al 20 % de la calificacion final (10 %+10 %). Ambas se

realizaran durante la hora de clase. La primera es un control de las clases expositivas que se

realizara aproximadamente a mitad del semestre y consistira en preguntas de respuesta corta

correspondientes a la materia impartida hasta ese momento. La segunda prueba consistira en

89

un control de las practicas de aula y las tutoras grupales. Tendra lugar durante la quinta o

sexta sesion practica y consistira en la resolucion de un ejercicio numerico correspondiente

a la materia impartida hasta ese momento.

b) Examen final. Se realizara un examen final de la asignatura al finalizar el semestre, dentro

del calendario establecido, que supondra el 80 % de la calificacion. El examen sera escrito y

consistira en una serie de preguntas cortas sobre aspectos teoricos, preguntas de respuesta

larga, ejercicios y/o problemas.

Para poder aprobar es necesario: (1) obtener una nota en el examen final igual o mayor que

3,2 puntos sobre 8 (el compensable es 4 sobre 10); y (2) obtener una nota global al sumar

las notas de los dos controles (la calificacion maxima enccada uno de ellos es 1) y la nota

del examen final igual o superior a 5 puntos sobre 10.

Los alumnos que no hayan aprobado la asignatura deberan examinarse de todo el programa

en el examen final de Junio (o Julio). El examen realizado en estas convocatorias supondra el

100 % de la calificacion.

8. Evaluacion del proceso docente.

La evaluacion del proceso docente se hara conjuntamente con el resto de las asignaturas.

9. Recursos, bibliografıa y documentacion complementaria

Libro de texto principal:

[1] I. N. Levine, Fisicoquımica. McGraw-Hill,5a Edicion, (Madrid, 2004).

Bibliografıa fundamental:

[18] K. Denbigh, Equilibrio quımico. Editorial AC, (Madrid, 1985)

[19] J. Bertran Rusca y J. Nunez Delgado (coords.), Quımica Fısica I y II, Ariel (Barcelona,

2002)

[20] J. A. Rodrıguez Renuncio, J. R. Ruiz Sanchez y J. S. Urieta Navarro, Termodinamica

90

quımica. Editorial Sıntesis, (Madrid, 1998)

[21] M. Criado-Sancho y J. Casas-Vazquez, Termodinamica Quımica y de los Procesos Irre-

versibles. Addison-Wesley Iberoamericana, (Madrid, 1988)

[22] J. Aguilar, Curso de Termodinamica. Editorial Alhambra, (Madrid, 1981)

[23] M. L. McGlashan, Chemical Thermodynamics. Academic Press, (Londres, 1979)

[24] G. W. Castellan, Fisicoquımica. Addison Wesley Iberoamericana, (Mexico, 1987)

[25] M. W. Zemansky y R. H. Dittman, Calor y Termodinamica. McGraw-Hill, (Madrid,

1981)

[26] G. N. Lewis y M. Randall (revisado por K. S. Pitzer y L. Brewer), Thermodynamics.

McGraw-Hill, (Nueva York, 1961)

Guıa Docente de Experimentacion en Quımica Fısica I

Se puede acceder a la GD de esta asignatura desde las paginas web que hemos indicado mas arriba.

Aquı se traslada con algunos matices y comentarios la mayor parte de esa informacion.

1. Identificacion

La asignatura Experimentacion en Quımica Fısica I (EQFI) se imparte en el segundo se-

mestre del segundo curso del Grado. Se trata de una asignatura obligatoria de seis creditos

ECTS. Es la primera asignatura experimental de la materia Quımica Fısica dentro del modu-

lo Fundamental


El contenido de esta asignatura es la experimentacion en Termodinamica Quımica y, por

tanto, en el trancurso de la misma se ponen en practica dentro del laboratorio las compe-

tencias y los resultados de aprendizaje adquiridos en la asignatura Quımica Fısica I. Esto se

lleva a cabo mediante la determinacion experimental de distintos tipos de magnitudes termo-

dinamicas. Se persigue que los alumnos vean el formalismo termodinamico en accion: como

91

la medida de propiedades facilmente accesibles mediante la experimentacion (temperatura,

concentracion, pH, volumen, etc.) permite determinar distintas magnitudes termodinamicas

(entalpıas de reaccion, constantes de equilibrio, magnitudes molares parciales, etc.) y extraer

conclusiones de interes quımico.

De forma algo menos directa, EQFI tambien se relaciona con muchas asignaturas de primer

curso (en particular, Quımica General y Operaciones Basicas de Laboratorio y Herramien-

tas Informaticas) y de segundo curso (Quımica Analıtica I y Experimentacion en Quımica

Analıtica I). Dada la relacion de EQFI con Quımica Fısica I, su conexion con el resto de

asignaturas de la titulacion es similar a la que presenta esta ulima. Hay que senalar ademas

que es necesario superar EQFI para poder cursar la asignatura Experimentacion en Quımica

Fısica II de cuarto curso.

3. Requisitos

Los requisitos para cursar esta asignatura, segun se detallan en la Memoria del Grado en

Quımica, son los mismos que los de la asignatura Quımica Fısica I. Los comentarios allı ver-

tidos son trasladables a este epıgrafe.

4. Objetivos



• Expresarse correctamene (tanto en forma oral como escrita) en castellano

• Sensibilizarse con los temas vinculados con el medio ambiente


• Trabajo en equipo

Competencias especıficas-Conocimientos

92

• Adquirir los fundamentos de la terminologıa quımica, nomenclatura, convenios y

unidades

• Describir los tipos de reacciones quımicas y sus principales caracterısticas asociadas

• Aplicar los principios de la termodinamica y sus aplicaciones en Quımica

• Conocer y aplicar los principios de electroquımica

Competencias especıficas-Habilidades

• Manipular con seguridad reactivos, instrumentos y dispositivos quımicos

• Monitorizar mediante la observacion y medida de las propiedades quımicas, sucesos

y cambios recoplilando la informacion adecuada

• Interpretar datos procedentes de observaciones y medidas de laboratorio en termi-

nos de significado y la teorıa que soporta

• Valorar los riesgos en el uso de sustancias quımicas y en los procedimientos de

laboratorio.

• Conocer y comprender los fundamentos de los aparatos utilizados en el laboratorio

y saber utilizar estos para la obtencion de datos fiables

• Recoger, procesar e interpretar datos procedentes de observaciones y medidas de

laboratorio.

• Elaborar y defender informes cientıficos

• Saber implementar buenas practicas cientıficas de medidas y experimentacion


• Demostrar conocimiento y compresion de los conceptos y leyes relacionados con la

Termodinamica Quımica y la Electroquımica.

• Reconocer y valorar los riesgos en el uso de sustancias quımicas y en los procedi-

mientos de laboratorio.

• Realizar practicas de laboratorio con rigor en el procedimiento operativo y en la

obtencion de datos.

93

• Manejar programas informaticos.

• Elaborar y presentar correctamente un informe.

• Comprender y utilizar la informacion bibliografica.

5. Contenidos

Las practicas de laboratorio estan basadas en los siguientes contenidos: Conceptos basicos de

Quımica. Disoluciones y equilibrios de fases. Determinacion de la composicion de disolucio-

nes. Magnitudes molares parciales. Disoluciones electrolıticas y no electrolıticas. Propiedades

coligativas. Equilibrios quımico y electroquımico. La constante de equilibrio. Equilibrios ioni-

cos en disoluciones acuosas. Determinacion de constantes de equilibrio. Calorimetrıa.

Se incluiran algunas de las experiencias tradicionalmente realizadas en los laboratorios de

Quımica Fısica de la Facultad de Quımica, despues de una necesaria actualizacion, ası co-

mo practicas nuevas. De este modo, se realizaran medidas calorimetricas de entalpıas de

reaccion, analisis cualitativos del desplazamiento del equilibrio quımico, determinacion de

constantes de equilibrio tales como productos de solubilidad o la constante de ionizacion

de un acido debil mediante valoraciones acido-base, etc. Ademas, los descriptores proponen

analizar las propiedades coligativas de las disoluciones, por ejemplo la determinacion de la

masa molecular de la urea a partir del descenso crioscopico medido con un termometro Be-

ckmann, y la determinacion de magnitudes molares parciales como los volumenes molares

parciales de los componentes de mezclas binarias, tıpicamente etanol/agua.

6. Metodologıa y plan de trabajo

El numero de horas presenciales del alumno es el 50 % del total. Las actividades formativas

presenciales constan de: (i) seminarios (7 horas), (ii) realizacion de las practicas (65 horas),

y (iii) realizacion del examen (3 horas).

En los seminarios el profesor expondra el fundamento teorico de cada una de las practicas

94

y su relacion con las operaciones experimentales a realizar. En estos seminarios, el profesor

tambien recordara las principales normas de seguridad a tener en cuenta en el laboratorio.

La metodologıa utilizada en las practicas de laboratorio se basa en el trabajo individual y en

grupo. En cada practica se seguiran los siguientes pasos: (1) estudio por parte del alumno del

guion de la practica que se le ha proporcionado; (2) explicacion de la practica por parte del

profesor, con indicacion de las precauciones de seguridad a tener en cuenta, y discusion entre

el profesor y los alumnos de los conceptos teoricos mas importantes o de mayor dificultad,

ası como de los aspectos operativos; (3) desarrollo de la parte experimental de la practica

por parte de los alumnos con seguimiento por parte del profesor; (4) analisis de los resulta-

dos obtenidos, realizacion de los calculos necesarios, construccion de las tablas y/o graficas

relevantes, comparacion con la informacion bibliografica y extraccion de conclusiones, por

parte del alumno; (5) elaboracion de un informe en el que el alumno recoge, en el propio

laboratorio, el trabajo realizado, los resultados y conclusiones obtenidos, etc. (cuaderno de

laboratorio individual). Al final de cada practica se llevara a cabo una recapitulacion y una

discusion en grupo de los aspectos mas relevantes de la misma.

7. Evaluacion del aprendizaje de los estudiantes

La asistencia a las sesiones de laboratorio es obligatoria. Para la calificacion de Junio se

tendran en cuenta los siguientes aspectos: (i) evaluacion continua, en el propio laboratorio,

del trabajo del alumno, incluye la observacion directa del mismo, cuaderno de laboratorio y

preguntas del profesor, 30 % de la nota; y (ii) examen final escrito, que incluye preguntas re-

lacionadas con los diferentes aspectos de las practicas realizadas: fundamento, procedimiento

operativo, analisis de resultados, etc., 70 % de la nota. Para aprobar en la convocatoria de

Junio es necesario obtener una nota igual o mayor que 5 puntos sobre 10 en cada uno de los

dos aspectos evaluados (evaluacion continua y examen final). Los requisitos para aprobar en

la convocatoria de Julio son los mismos que en la de Junio. La nota de la evaluacion continua

en la convocatoria de Julio sera la misma que en la convocatoria de Junio (a menos que el

95

alumno solicite sustituirla por la de un examen a realizar sobre aspectos relacionados con

esa evaluacion continua).

8. Evaluacion del proceso docente



[1] I. N. Levine, Fisicoquımica. McGraw-Hill (5a Ed.), (Madrid, 2004).

[18] K. Denbigh, Equilibrio quımico. Editorial AC, (Madrid, 1985).

[23] M. L. McGlashan, Chemical Thermodynamics. Academic Press, (Londres, 1979).

[21] M. Criado-Sancho y J. Casas-Vazquez, Termodinamica Quımica y de los Procesos Irre-

versibles. Addison-Wesley Iberoamericana, (Madrid, 1988).

[27] B. P. Levitt. Quımica Fısica Practica de Findlay. Ed. Reverte, (Barcelona, 1979).

[28] H. D. Crockford, J. W. Nowell, H. W. Baird y F. W. Getzen Laboratory Manual of

Physical Chemistry. John Wiley & Sons, (New York, 1976).

[29] F. Daniels, J. Horward, P. Bender y R. Alberty. Experimental Physical Chemistry.

McGraw-Hill, (New York, 1971).

[30] R. J. Sime, Physical Chemistry. Methods, Techniques, and Experiment s. Saunders

College Publishing, (Orlando, 1990).

[31] S. Senent Perz, A. Hernanz Gismero, M. C. Izquierdo Sanudo, R. Navarro Delgado, F.

Peral Fernandez y M. D. Troitino Nunez. Tecnicas instrumentales fisicoquımicas. UNED,

(Madrid, 1990)

[32] D. P. Shoemaker, C. W. Garland y J. W. Nibler. Experiments in Physical Chemistry.


[33] J. M. Wilson, R. J. Newcombe, A. R. Denaro y R. M. W. Rickett. Experiments in

Physical Chemistry. Pergamon Press, (New York, 1964).

96

[34] A. M. Bernard, J. C. Maire y J. Bye. Manipulations de Chimie Physique. Dunod, (Paris,

1967).

[35] F. J. Garcıa Alonso. Seguridad en el Laboratorio de Quımica. Servicio de Publicaciones

de la Universidad de Oviedo (Oviedo, 2004).

[36] X. Guardino, C. Heras (Coord.). Seguridad y Condiciones de Trabajo en el Laboratorio.

Ed. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo.

Los guiones de las practicas estaran disponibles para los estudiantes en forma de fotocopias

y/o a traves del Campus Virtual.

Guıa Docente de Quımica Fısica II

1. Identificacion

La asignatura Quımica Fısica II se imparte en el primer semestre del tercer curso del Grado.

Se trata de una asignatura obligatoria de seis creditos ECTS de la Materia Quımica Fısica

del Modulo Fundamental.


Esta asignatura incluye contenidos de Mecanica y Quımica Cuantica, Espectroscopıa y Di-

fractometrıa. Las primeras nociones de Quımica Cuantica del Grado en Quımica se introdu-

cen en Quımica General de primero, que es necesario haber superado para cursar la Quimica

Fısica II. Los contenidos de Matematicas (algebra lineal y calculo integral), y los aspectos de

mecanica, ondas y electromagnetismo de las Fısicas Generales son siempre necesarios para

todas las parcelas de la Quımca Fısica y en especial para la Cuantica y la Espectroscopıa.

Respecto al resto de asignaturas quımico fısicas, hay una relacion directa con la termo-

dinamica estadıstica de Quımica Fısica III de tercer curso, donde, por ejemplo, los niveles

de energıa microscopicos intervienene en la evaluacion de las funciones de particion.

97

En el ambito de la Quımica Analıtica, las tecnicas analıticas espectroscopicas, tratadas en

Quımica Analıtica II, requieren los conocimientos quımico fısicos de espectroscopıa impar-

tidos en Quımica Fısica II. El tratamiento quımico fısico de la espectroscopıa es tambien

necesario en el entendimiento de la identificacion de sustancias: el sello vibracional carac-

terıstico de ciertos grupos funcionales en el espectro infrarrojo, la informacion detallada de

los acoplamientos entre espines en la resonancia magnetica nuclear, o la simple comparacion

de espectros de cualquier tipo con patrones conocidos, constituyen herramientas poderosas

en el ambito de la Quımica Organica e Inorganica. El lenguaje introducido por la Quımica

Cuantica juega ademas un papel fundamental en estas dos areas quımicas, por ejemplo en

la aplicacion de la Teorıa de Orbitales Moleculares a la estructura y reactividad organica

(Quımica Organica I y II) y a la formacion, estructura y estabilidad de complejos inorganicos

y organometalicos. Por ultimo, la importancia de las tecnicas de difraccion en la caracteri-

zacion de la estructura de los materiales cristalinos relaciona los contenidos introducidos en

Quımica Fısica II con Bioquımica y Quımica de los Materiales del ultimo curso del Grado.

No obstante, segun la Memoria de Verificacion ninguna otra asignatura del Grado requiere

haber superado Quımica Fısica II para poder cursarse.

3. Requisitos

Los requisitos para cursar Quımica Fısica II son los mınimos contemplados para cursar

cualquier asignatura de la materia Quımica Fısica, es decir, las asignaturas de la materia

Quımica del modulo basico y las materias Fısica y Matematicas.

4. Objetivos




• Poseer conocimientos de informatica relativos al ambito de la Quımica

98



Competencias especıficas. Conocimientos

• Relacionar las propiedades macroscopicas con las de los atomos y moleculas indi-

viduales

• Aplicar los principios de la mecanica cuantica en la descripcion de la estructura y

propiedades de atomos y moleculas

• Adquirir las bases para aplicar y evaluar la interaccion radiacion-materia, los prin-

cipios de la espectroscopıa y las principales tecnicas de investigacion estructural


• Resolver problemas cuantitativos y cualitativos segun modelos previamente desa-

rrollados

• Adquirir habilidad para evaluar, interpretar y sintetizar informacion quımica

• Procesar y computar datos, en relacion con la informacion y datos quımicos



• Utilizar correctamente los metodos inductivo y deductivo en el ambito de la quımica


dades

• Realizar, presentar y defender informes cientıficos tanto de forma escrita como oral

ante una audiencia





99

• Elaborar y presentar correctamente un informe tanto de forma oral como escrita

• Manejar programas informaticos en ambito de la Quımica Fısica

• Demostrar conocimiento y comprension de los hechos, conceptos, principios y teorıas

relacionados con la Quımica Cuantica y la Espectroscopıa y su aplicacion a la re-

solucion de problemas

• Relacionar los fundamentos de las tecnicas analıticas, espectroscopicas y de inves-

tigacion estructural con sus aplicaciones

5. Contenidos

Leccion 1. Los postulados de la Mecanica Cuantica. Antecedentes de la Mecanica. La

funcion de onda. Principio de superposicion. Operadores. Valores propios y medida. Conjunto

completo de estados propios. Valores esperados. Ecuacion de Schrodinger. Spin y principio

de Pauli.

Leccion 2. Problemas de una y dos partıculas con solucion analıtica. La partıcula

libre. La partıcula en la caja monodimensional. La partıcula en la caja tridimensional. El

oscilador armonico. Momento angular de una partıcula. Problemas de campo central. El

problema de dos cuerpos en Mecanica Clasica. El rotor rıgido. El atomo hidrogenoide

Leccion 3. Teorıa atomica: atomo de dos electrones. Teorema variacional. Metodo

de variaciones lineal. Metodos perturbativos. Atomo de He: tratamiento perturbativo, va-

riacional y aproximacion orbital del estado fundamental. Atomo de He: estados excitados.

Leccion 4. Teorıa atomica: atomos de mas de dos electrones. Acoplamiento de mo-

mentos angulares. Momento angular L y S de un atomo. Determinantes de Slater. Terminos

de Russell-Saunders. Reglas de Hund. El metodo de Hartree-Fock. Acoplamiento spin-orbita.

Estructura electronica fina de un atomo.

100

Leccion 5. Estructura electronica molecular. Aproximacion de Born-Oppenheimer y

ecuacion electronica. La molecula ion H+

2 . La molecula H2: metodo de Heitler-London y de

Mulliken-Hund. El metodo LCAO en moleculas lineales. Metodo de orbitales moleculares

en moleculas no lineales. Hibridacion. Propiedades electricas y magneticas de las moleculas.

Quımica Computacional: metodologıas de calculo en Quımica Cuantica.

Leccion 6. Espectroscopıas de rotacion y vibracion. Absorcion y emision de radiacion

electromagnetica. Probabilidad de transicion de Einstein. Reglas de seleccion. Movimien-

to nuclear de moleculas diatomicas. Reglas de seleccion roto-vibracionales. Espectros rota-

cionales de moleculas diatomicas. Espectros de rotacion-vibracion. Espectroscopıa Raman.

Movimiento nuclear en moleculas poliatomicas. Espectro rotacional del trompo simetrico y

asimetrico. Espectroscopıa de microondas. Simetrıa molecular y vibraciones: modos normales

de vibracion. Reglas de seleccion. Anarmonicidad

Leccion 7. Espectroscopıa electronica. Espectros electronicos y ley de Lambert-Beer.

Principio de Frank-Condon. Absorcion, fluorescencia y fosforescencia. Disociacion y predi-

sociacion. Lasers: principio, tipos y aplicaciones en quımica. Espectroscopıa fotoelectronica

Leccion 8. Resonancias magneticas. Resonancia magnetica nuclear: Momento magneti-

co nuclear y reglas de seleccion. Desplazamiento quımico. Constante de apantallamiento.

Acoplamiento spin-spin. Espectroscopıa RMN por transformada de Fourier. RMN de estado

solido. RMN de imagen. Resonancia de spin electronico. Estructura hiperfina

Leccion 9. Tecnicas de difraccion y aplicaciones. Tipos de solidos. Estructuras cris-

talinas: red cristalina, celda unidad, ındices de Miller. Teorıa general de la difraccion: intro-

duccion a la dispersion elastica de partıculas (fotones, neutrones, electrones) por la materia.

Factor de estructura. Factor de forma. Ecuacion de Laue. Ley de Bragg. Metodo de polvo

cristalino. Difraccion de monocristales. Espectros de rayos-X. Introduccion a las tecnicas de

absorcion de rayos X. Lıquidos. Macromoleculas

101


Al igual que la primera asignatura teorica de QF del modulo fundamental, se plantean tres

tipos de actuaciones docentes: las clases expositivas, las clases de problemas o practicas de

aula y los seminarios tutorados o turorıas grupales. El objetivo de las mismas es identico al

caso de Quımica Fısica I. Las clases expositivas desarrollan el programa teorico de la asig-

natura. En estas clases el profesor presenta y discute la materia objeto de estudio, haciendo

especial hincapie en los aspectos de mayor relevancia y dificultad, integrando aspectos teori-

cos y ejemplos para facilitar la compresion de la materia. Por ello, es muy recomendable que

el alumno asista regularmente a clase aunque, obviamente, es necesario que complemente

esta asistencia con el posterior estudio del material recomendado en el aula.





clase.











102






TOTAL 60 90 150

Tabla 2.7: Tiempos de trabajo estimados para la asignatura Quımica Fısica II del Grado en

Quımica

En el cuadro 2.7 se muestra la dedicacion de un estudiante a esta asignatura. No se han tenido

en cuenta los examenes finales de Junio y Julio (ni se recogen las horas correspondientes a

las actividades transversales).




zara un examen final de, aproximadamente, tres horas de duracion, para el que se propone

un poco mas del doble de horas de preparacion, ademas del trabajo ya contemplado en el

estudio de la asignatura e incluido en la estimacion de horas no presenciales asignadas a

clases expositivas, practicas de aula y tutorıas grupales.






103

realizaran dos pruebas presenciales de unos cuarenta y cinco minutos de duracion cada

una, y cuya calificacion correspondera al 20 % de la calificacion final (10 %+10 %). Ambas

se realizaran durante la hora de clase. La primera es un control de las clases expositivas

que se realizara aproximadamente en la mitad del semestre y consistira en preguntas de

respuesta corta correspondientes a la materia impartida hasta ese momento. La segunda

prueba consistira en un control de las practicas de aula y las tutorıas grupales. Tendra lugar

durante la quinta o sexta sesion practica y consistira en la resolucion de un ejercicio numerico

correspondiente a la materia impartida hasta ese momento.


del calendario establecido, que supondra el 80 % de la calificacion.

El examen sera escrito y consistira en una serie de preguntas cortas sobre aspectos teoricos,

preguntas de respuesta larga, ejercicios y/o problemas.










104



[1] I. N. Levine, Fisicoquımica, 5a edicion, Vol. 2, McGraw-Hill (Madrid, 2004)


[2] P. W. Atkins y J. de Paula, Quımica Fısica, 8a edicion, Medica Panamericana (Madrid,

2008); P. W. Atkins y J. de Paula, Physical Chemistry, 8th edition, Oxford University Press

(Oxford, 2006)

[3] D. A. McQuarrie y J. D. Simon, Physical Chemistry: A Molecular Approach, University

Science Books (Sausalito, 1997)

[4] J. S. Winn, Physical Chemistry, HarperCollins College Publishers (New York, 1995)

[5] T. Engel y P. Reid, Quımica Fısica, Pearson Educacion S.A. (Madrid, 2006)

[6] R. S. Berry, S. A. Rice y J. Ross, Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford University

Press (New York, 2000)

[7] I. N. Levine, Quımica Cuantica, Ed. Prentice Hall (2001)

[8] V. Luana, V. M. Garcıa, E. Francisco y J. M. Recio, Espectroscopıa Molecular, Servicio

de Publicaciones de la Universidad de Oviedo (Oviedo, 2002).

[37] P. O-D. Offenhartz, Atomic and Molecular Orbital Theory, McGraw Hill Book Co.,

(New York, 1970)

[38] J. C. Slater, Quantum Theory of Matter, McGraw Hill Book Co., (New York, 1968)

[39] I. N. Levine, Espectroscopıa Molecular, Editorial AC, (Madrid, 1980)

[40] W. S. Struve, Fundamentals of Molecular Spectroscopy. John Wiley & Sons, (New York,

1989)

105

Guıa Docente de Quımica Fısica III

1. Identificacion

La asignatura Quımica Fısica III se imparte en el segundo semestre del tercer curso del

Grado. Se trata de una asignatura obligatoria de seis creditos ECTS de la Materia Quımica

Fısica del Modulo Fundamental.


Los contenidos asignados a la Quımica Fısica III se clasifican en Fundamentos de termo-

dinamica estadıstica, Fenomenos de transporte, Fenomenos de superficie y Cinetica Quımi-

ca. Existen numerosas interrelaciones con el resto de asignaturas del Grado en Quımica. Por

supuesto, los conocimientos matematicos y fısicos adquiridos en el modulo Basico de primer

curso siguen siendo fundamentales para el desarrollo de esta asignatura. La Termodinamica

clasica introducida en la Quımica Fısica I es clave para abordar con exito el estudio, por

ejemplo, de la Termodinamica Estadıstica a traves de los colectivos de Gibbs, en la deriva-

cion termodinamica de la Teorıa del Estado de Transicion o en el estudio de la adsorcion

sobre superficies solidas. La Quımica Fısica II y su bagaje de Quımica Cuantica es tambien

imprescindible para comprender el concepto de Superficie de Energıa Potencial y su impor-

tancia en el estudio teorico de la cinetica de las reacciones quımicas, ademas de permitir la

construccion de las funciones de particion moleculares.

Fuera del ambito de Quımica Fısica, serıa interesante tener en cuenta los contenidos previos

de Ingenierıa Quımica de segundo curso en el ambito de los Fenomenos de Transporte.

Ademas, conceptos como los introducidos en Cinetica Quımica son claves en el ambito de la

reactividad organica e inorganica y en Bioquımica, y la caracterizacion de algunos Fenomenos

de Superficie conecta con la asignatura de cuarto curso Quımica de los Materiales. No es

requisito superar esta asignatura para ninguna otra del Grado en Quımica.

106

3. Requisitos

Los requisitos para cursar esta asignatura se detallan en la Memoria de verificacion y son

los mınimos de la materia Quımica Fısica (las asignaturas del modulo Basico y las materias

Fısica y Matematicas) mas haber superado la asignatura de segundo curso Quımica Fısica

I.

4. Objetivos




• Poseer conocimientos de informatica relativos al ambito de la Quımica



Competencias especıficas. Conocimientos

• Relacionar las propiedades macroscopicas con las de los atomos y moleculas indi-

viduales

• Aplicar los principios de la mecanica estadıstica para la descripcion de las propie-

dades macroscopicas a partir de las propiedades de atomos y moleculas

• Comprender la cinetica del cambio quımico, incluyendo la catalisis y los mecanismos

de reaccion


• Resolver problemas cuantitativos y cualitativos segun modelos previamente desa-

rrollados

• Adquirir habilidad para evaluar, interpretar y sintetizar informacion quımica

• Procesar y computar datos, en relacion con la informacion y datos quımicos

107



• Utilizar correctamente los metodos inductivo y deductivo en el ambito de la quımica


dades

• Realizar, presentar y defender informes cientıficos tanto de forma escrita como oral

ante una audiencia





• Elaborar y presentar correctamente un informe tanto de forma oral como escrita

• Manejar programas informaticos en el ambito de la Quımica Fısica

• Demostrar conocimiento y comprension de los hechos, conceptos, principios y teorıas

relacionados con Mecanica Estadıstica y la Cinetica y su aplicacion a la resolucion

de problemas

5. Contenidos

Leccion 1. Teorıa cinetica de los gases. Teorıa cinetico-molecular de los gases. Ley

de distribucion de velocidades moleculares. Efusion. Colisiones moleculares y recorrido li-

bre medio. La ley de distribucion de Boltzmann. Capacidades calorıficas de gases ideales

poliatomicos

Leccion 2. Introduccion a la Mecanica Estadıstica. Ergodicidad. El metodo de Gibbs

de los colectivos. El colectivo canonico. Microestados y macroestados. La distribucion mas

probable. Funcion de particion y propiedades termodinamicas. Funcion de particion canonica

108

para un sistema de partıculas no interaccionantes. Funcion de particion canonica para un

gas ideal puro. Otros colectivos. Fluctuaciones

Leccion 3. Termodinamica Estadıstica del gas ideal. Termodinamica estadıstica para

gases ideales monoatomicos y diatomicos: funciones de particion traslacional, rotacional, vi-

bracional y electronica; propiedades termodinamicas. Termodinamica estadıstica para gases

ideales de mas de dos atomos. Propiedades termodinamicas y constantes de equilibrio de

gases ideales

Leccion 4. Cinetica Fısica. Introduccion a los fenomenos de transporte. Conduccion termi-

ca. Viscosidad. Difusion y sedimentacion. Conduccion electrica de disoluciones electrolıticas

Leccion 5. Cinetica Quımica Formal. Introduccion a la Cinetica Quımica. Velocidad de

reaccion. Ecuaciones cineticas y mecanismos de reaccion. Integracion de ecuaciones cineticas

sencillas. Metodos de determinacion de ecuaciones cineticas. Reacciones opuestas, consecu-

tivas y competitivas. Aproximacion de la etapa limitante. Aproximacion del estado esta-

cionario. Efecto de la temperatura sobre la constante cinetica. Reacciones unimoleculares.

Reacciones en cadena lineal. Reacciones en cadena ramificada. Cineticas de relajacion. Reac-

ciones en disolucion lıquida. Catalisis. Reacciones autocatalıticas y oscilantes

Leccion 6. Cinetica Quımica Molecular. Teorıas de colisiones para las velocidades de

reaccion en fase gaseosa. Superficies de energıa potencial. Dinamica molecular de la reac-

cion. Teorıa del estado de transicion. Formulacion termodinamica de la teorıa del estado de

transicion. Modelos para la dinamica de reacciones elementales

Leccion 7. Fenomenos de Superficie. Interfases: descripcion y propiedades. Termo-

dinamica de interfases: Modelo de Gibbs. Nucleacion y crecimiento. Interfases lıquido-vapor:

Tensoactivos. Adsorcion en las interfases solido-lıquido y solido-gas. Interfases curvas: Capi-

laridad

109


Al igual que la primera asignatura teorica de QF del modulo fundamental, se plantean tres

tipos de actuaciones docentes: las clases expositivas, las clases de problemas o practicas de

aula y los seminarios tutorados o turorıas grupales. El objetivo de las mismas es identico al

caso de Quımica Fısica I y Quımica Fısica II. Se repite aquı lo expuesto en este apartado para

estas asignaturas. Las clases expositivas desarrollan el programa teorico de la asignatura.

En estas clases el profesor presenta y discute la materia objeto de estudio, haciendo especial

hincapie en los aspectos de mayor relevancia y dificultad, integrando aspectos teoricos y

ejemplos para facilitar la compresion de la materia. Por ello, es muy recomendable que el

alumno asista regularmente a clase aunque, obviamente, es necesario que complemente esta

asistencia con el posterior estudio del material recomendado en el aula.





clase.










110






TOTAL 60 90 150

Tabla 2.8: Tiempos de trabajo estimados para la asignatura Quımica Fısica III del Grado en

Quımica


En el siguiente cuadro se muestra la dedicacion de un estudiante a esta asignatura. No

se han tenido en cuenta los examenes finales de Junio y Julio (ni se recogen las horas

correspondientes a las actividades transversales).




zara un examen final de, aproximadamente, tres horas de duracion, para el que se propone

un poco mas del doble de horas de preparacion, ademas del trabajo ya contemplado en el

estudio de la asignatura e incluido en la estimacion de horas no presenciales asignadas a

clases expositivas, practicas de aula y tutorıas grupales.





111


realizaran dos pruebas presenciales de unos cuarenta y cinco minutos de duracion cada

una, y cuya calificacion correspondera al 20 % de la calificacion final (10 %+10 %). Ambas

se realizaran durante la hora de clase. La primera es un control de las clases expositivas

que se realizara aproximadamente en la mitad del semestre y consistira en preguntas de

respuesta corta correspondientes a la materia impartida hasta ese momento. La segunda

prueba consistira en un control de las practicas de aula y las tuutoras grupales. Tendra lugar

durante la quinta o sexta sesion practica y consistira en la resolucion de un ejercicio numerico

correspondiente a la materia impartida hasta ese momento.


del calendario establecido, que supondra el 80 % de la calificacion. El examen sera escrito y

consistira en una serie de preguntas cortas sobre aspectos teoricos, preguntas de respuesta

larga, ejercicios y/o problemas.










112



[1] I. N. Levine, Fisicoquımica, 5a edicion, Vol. 2, McGraw-Hill (Madrid, 2004)


[2] P. W. Atkins y J. de Paula, Quımica Fısica, 8a edicion, Medica Panamericana (Madrid,

2008); P. W. Atkins y J. de Paula, Physical Chemistry, 8th edition, Oxford University Press

(Oxford, 2006)

[3] D. A. McQuarrie y J. D. Simon, Physical Chemistry: A Molecular Approach, University

Science Books (Sausalito, 1997)



[6] R. S. Berry, S. A. Rice y J. Ross, Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford University

Press (New York, 2000)

[19] J. Bertran Rusca y J. Nunez Delgado (coords.), Quımica Fısica I y II, Ariel (Barcelona,

2002)

[41] J. J. Novoa, Quımica Fısica Aplicada, Calamo Producciones Editoriales (Barcelona,

2002)

[42] D. A. McQuarrie, Statistical Mechanics, Harper & Row, (New York, 1976)

[43] T. L. Hill, An Introduction to Statistical Thermodynamics, Dover Publications Inc.,

(New York, 1986)

[44] A. Gonzalez Urena, Cinetica y Dinamica Molecular Quımica, EUDEMA Universidad,

(Madrid, 1991)

[45] J. W. Moore y R. G. Pearson, Kinetics and Mechanism, John Wiley & Sons,(Nueva

York, 1981)

113

Guıa Docente de Experimentacion en Quımica Fısica II

1. Identificacion

La asignatura Experimentacion en Quımica Fısica II se imparte en el primer semestre del

cuarto y ultimo curso del Grado. Se trata de una asignatura obligatoria experimental de seis

creditos ECTS de la Materia Quımica Fısica del Modulo Fundamental.


Los descriptores de esta asignatura incluyen practicas en Cinetica Quımica, experimenta-

cion en Espectroscopıa, experimentacion en Fenomenos de transporte, experimentacion en

Fenomenos de superficie y experimentacion en caracterizacion de macromoleculas. Tambien

hay contenidos de introduccion a las tecnicas de simulacion. Esta asignatura es posterior a

todas las asignaturas teoricas fundamentales del area y contiene, como vemos, propuestas

de practicas de cada una de ellas, exceptuando aquellas especıficas de Termodinamica que

se llevan a cabo en la asignatura Experimentacion en Quımica Fısica I.

3. Requisitos

Los requisitos para cursar esta asignatura segun se detallan en la Memoria del Grado en

Quımica son los mınimos de la materia Quımica Fısica, ademas de exigir haber superado

Experimentacion en Quımica Fısica I.

4. Objetivos


• Capacidades de analisis y sıntesis.

• Razonamiento crıtico

• Trabajo en equipo.

Competencias especıficas-Conocimiento

• Aplicar los fundamentos de la Cinetica Fısica y Quımica y de la Espectroscopıa.

114

• Valorar los riesgos en el uso de sustancias quımicas y procedimientos de laboratorio.


y saber utilizar estos para la obtencion de datos fiables.


laboratorio.

• Elaborar y defender informes cientıficos.

Competencias especıficas-Habilidades

• Manipular con seguridad reactivos, instrumentos y dispositivos quımicos

• Monitorizar mediante la observacion y medida de las propiedades quımicas, sucesos

y cambios recoplilando la informacion adecuada



• Valorar los riesgos en el uso de sustancias quımicas y en los procedimientos de

laboratorio.


y saber utilizar estos para la obtencion de datos fiables


laboratorio.

• Elaborar y defender informes cientıficos

• Saber implementar buenas practicas cientıficas de medidas y experimentacion


• Demostrar conocimiento y compresion de los conceptos y leyes relacionados con la

Termodinamica Quımica, Fenomenos de transporte, Cinetica Quımica, Espectros-

copıa y Fenomenos de Superficie.

• Reconocer y valorar los riesgos en el uso de sustancias quımicas y procedimientos

de laboratorio.

115

• Realizar practicas de laboratorio con rigor en el procedimiento operativo y en la

obtencion de datos.

• Manejar programas informaticos.

• Elaborar y presentar correctamente un informe.

• Comprender y utilizar la informacion bibliografica.

5. Contenidos

Las practicas de laboratorio estan basadas en los siguientes descriptores: experimentacion

en Cinetica Quımica, experimentacion en Espectroscopıa, experimentacion en Fenomenos de

transporte, experimentacion en Fenomenos de superficie, experimentacion en caracterizacion

de macromoleculas e introduccion a las tecnicas de simulacion.

Al igual que en Experimentacion en Quımica Fısica I, se proponen practicas que integren

material, equipos y guiones en funcionamiento en los laboratorios actuales o variantes de

las mismas. Ası, se pueden llevar a cabo experiencias espectroscopicas encaminadas a la de-

terminacion de propiedades estructurales de distintos compuestos, por ejemplo compuestos

aromaticos y polienos conjugados mediante espectroscopıa visible-UV, que pueden ser com-

plementadas con la realizacion de calculos mecanico-cuanticos de la estructura electronica

molecular de los mismos dentro de la introduccion a las tecnicas de simulacion. De esta

manera, los estudiantes pueden contrastar la teorıa frente al experimento y asentar los co-

nocimientos adquiridos en los cursos anteriores.

La experimentacion en Cinetica Quımica va dirigida a la obtencion de los ordenes parciales,

del orden global, de la constante de velocidad y de la energıa de activacion de reacciones

quımicas. Este tipo de experiencias permiten a los alumnos comprender todo el proceso del

metodo cinetico, desde el diseno inicial de las experiencias hasta el tratamiento posterior de

los datos segun las pautas presentadas en teorıa.

116

Respecto a la experimentacion en Fenomenos de Superficie, se incluye una experiencia cen-

trada en la obtencion de la isoterma de adsorcion, por ejemplo del acido acetico sobre carbon

vegetal activo. Dentro de la experimentacion en Fenomenos de Transporte, se propone la rea-

lizacion de medidas de viscosidad para determinar la masa molar de algun polımero como

el polietilenglicol.

Esta asignatura experimental tambien ofrece la oportunidad de analizar los Fenomenos de

Transporte ionicos y completar ası aquellos aspectos que no hayan sido tratados en Quımica

Fısica III. La relacion fenomenologica entre el flujo de carga o corriente electrica y el gradiente

de potencial electrico es similar a la presentada en el caso de los fenomenos de transporte no

ionicos, siendo la constante de proporcionalidad o coeficiente de transporte la conductividad

electrica. Esta conductividad electrica puede ser medida experimentalmente y utilizada para

determinar el grado de disociacion, el coeficiente de actividad ionico medio y las constantes

del equilibrio de disociacion de un acido debil.

6. Metodologıa y plan de trabajo

Es la misma que la senalada para Experimentacion en Quımica Fısica I. El numero de horas

presenciales del alumno es el 50 % del total. Las actividades formativas presenciales constan

de: (i) seminarios (7 horas), (ii) realizacion de las practicas (65 horas), y (iii) realizacion del

examen (3 horas).

En los seminarios el profesor expondra el fundamento teorico de cada una de las practicas

y su relacion con las operaciones experimentales a realizar. En estos seminarios, el profesor

tambien recordara las principales normas de seguridad a tener en cuenta en el laboratorio.

La metodologıa utilizada en las practicas de laboratorio se basa en el trabajo individual

y en grupo. En cada practica se seguiran los siguientes pasos: (1) estudio por parte del

alumno del guion de la practica que se le ha proporcionado; (2) explicacion de la practica

117

por parte del profesor, con indicacion de las precauciones de seguridad a tener en cuenta,

y discusion entre el profesor y los alumnos de los conceptos teoricos mas importantes o de

mayor dificultad, y de los aspectos operativos; (3) desarrollo de la parte experimental de la

practica por parte de los alumnos con un seguimiento constante por parte del profesor; (4)

analisis de los resultados obtenidos, realizacion de los calculos necesarios, construccion de

las tablas y/o graficas relevantes, comparacion con la informacion bibliografica y extraccion

de conclusiones, por parte del alumno; (5) elaboracion de un informe en el que el alumno

recoge, en el propio laboratorio, el trabajo realizado, los resultados y conclusiones obtenidos,

etc. (cuaderno de laboratorio individual). Al final de cada practica se llevara a cabo una

recapitulacion y una discusion en grupo de los aspectos mas relevantes de la misma.

7. Evaluacion del aprendizaje de los estudiantes

La asistencia a las sesiones de laboratorio es obligatoria. Para la calificacion de Junio se

tendran en cuenta los siguientes aspectos: (i) evaluacion continua, en el propio laboratorio,

del trabajo del alumno (que incluye: observacion directa del mismo, cuaderno de laboratorio y

preguntas del profesor), 30(que incluye preguntas relacionadas con los diferentes aspectos de

las practicas realizadas: fundamento, procedimiento operativo, analisis de resultados, etc.),

70de Junio es necesario obtener una nota igual o mayor que 5 puntos sobre 10 en cada uno de

los dos aspectos evaluados (evaluacion continua y examen final). Los requisitos para aprobar

en la convocatoria de Julio son los mismos que en la de Junio. La nota de la evaluacion

continua en la convocatoria de Julio sera la misma que en la convocatoria de Junio (a menos

que el alumno solicite sustituirla por la de un examen a realizar sobre aspectos relacionados

con esa evaluacion continua).

8. Evaluacion del proceso docente


118


[28] H. D. Crockford, J. W. Nowell, H. W. Baird y F. W. Getzen Laboratory Manual of

Physical Chemistry. John Wiley & Sons, (New York, 1976).

[29] F. Daniels, J. Horward, P. Bender y R. Alberty. Experimental Physical Chemistry.


[30] R. J. Sime, Physical Chemistry. Methods, Techniques, and Experiment s. Saunders

College Publishing, (Orlando, 1990).

[31] S. Senent Perz, A. Hernanz Gismero, M. C. Izquierdo Sanudo, R. Navarro Delgado, F.

Peral Fernandez y M. D. Troitino Nunez. Tecnicas instrumentales fisicoquımicas. UNED,

(Madrid, 1990)

[32] D. P. Shoemaker, C. W. Garland y J. W. Nibler. Experiments in Physical Chemistry.


[33] J. M. Wilson, R. J. Newcombe, A. R. Denaro y R. M. W. Rickett. Experiments in

Physical Chemistry. Pergamon Press, (New York, 1964).


1967).

[35] F. J. Garcıa Alonso. Seguridad en el Laboratorio de Quımica. Servicio de Publicaciones

de la Universidad de Oviedo (Oviedo, 2004).

[36] X. Guardino, C. Heras (Coord.). Seguridad y Condiciones de Trabajo en el Laboratorio.

Ed. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo.

Los guiones de las practicas estaran disponibles para los estudiantes en forma de fotocopias

y/o a traves del Campus Virtual.

119

2.3. Proyecto Docente de Quımica Fısica en el Grado en

Quımica de la Universidad de Oviedo

A modo de resumen, presento unos comentarios finales centrados principalmente en los contenidos

de los micro-proyectos docentes en los que se traduce cada Guıa Docente. Por homogeneidad

en el diseno de las mismas, y mientras no existan razones particulares propias de la materia en

cuestion, he mantenido la misma metodologıa y plan de trabajo para todas las asignaturas teoricas

del Modulo Fundamental. Lo mismo se puede decir para las asignaturas experimentales. En estas

ultimas, el porcentaje de presencialidad es mayor, por razones obvias, que en las teoricas. He

optado por incluir algunas sesiones explicativas de las practicas que se van a llevar a cabo en el

laboratorio. Esta ha sido una pauta seguida para alguna de las asignaturas totalmente practicas

que se incorporaron a la Titulacion en Quımica con el Plan de 1994. El area de conocimiento de

Quımica Fısica de la Universidad de Oviedo sigue incorporando esta propuesta que a mi me parece

acertada.

El nuevo Grado en Quımica contiene menos Quımica Fısica que los planes de estudio precedentes,

de acuerdo con el sesgo proveniente de la reordenacion universitaria del EEES. Esto se traduce en

menos horas presenciales dedicadas al aprendizaje de QF. Las tres asignaturas teoricas se reparten,

por este orden, en Termodinamica Clasica, Quımica Cuantica y Espectroscopıa, y Termodinamica

Estadıstica y Cinetica Fısica y Quımica. Cualquiera de las tres asignaturas requirirıa un mayor

numero de horas para poder cubrir de forma razonable los contenidos recogidos en los descriptores.

El profesor debe hacer un esfuerzo para seleccionar contenidos y nivel de profundidad sin que el

alumno vea mermadas las competencias que debe adquirir al cursar estas materias.

Los contenidos que aparecen en las Guıas Docentes que he presentado mantienen la estructura y

muchos epıgrafes del temario general que expuse en la seccion 2.1.2. Respaldan, de este modo, la

estructura y el sentido ya discutidos de ese temario general. Basicamente, estas asignaturas teori-

cas responden a los tres bloques fundamentales que tambien he resaltado de la division alternativa

120

y que aparece en alguno de los libros de texto generalistas (ver por ejemplo Atkins y Winn [2, 4]):

Equilibrio, Estructura y Cambio. Algunas de las lecciones de las asignaturas del Grado tienen su

ubicacion alterada con respecto al temario general. Es el caso de Fenomenos de Superficie, que

segun la Memoria de Verificacion debe impartirse en Quımica Fısica III y por tanto salir del

bloque I Termodinamica donde estaba ubicada en el temario general. La parte de Macromolecu-

las con mayor relacion con el bloque de Espectroscopıa podrıa impartirse en Quımica Fısica

II, y completarse el resto en la asignatura practica Experimentacion en Quımica Fısica II.

Las dos asignaturas de laboratorio, por su naturaleza experimental y por los contenidos de sus

descriptores, son un lugar natural para cubrir contenidos mas aplicados. Si estos no han tenido ca-

bida en las asignaturas teoricas, pueden introducirse en las clases explicativas que he contemplado

en las correspondientes guıas docentes de las dos asignaturas experimentales.

La Quımica Fısica I es la primera asignatura teorica de Quımica Fısica. En ella se estudia la

termodinamica clasica, introduciendo la metodologıa del estudio macroscopico de los sistemas en

equilibrio (termodinamica de equilibrio) y aplicandola al estudio de diferentes sistemas quımicos

(termodinamica quımica). La asignatura comienza introduciendo conceptos fundamentales de la

disciplina (como la definicion de sistema termodinamico y la distincion entre sistemas aislados,

cerrados y abiertos) y continua con las tres primeras leyes de la termodinamica (ley cero y primera

y segunda leyes), las cuales llevan asociadas funciones de estado claves para la caracterizacion

macroscopica de estos sistemas (temperatura, energıa interna y entropıa, respectivamente). A

continuacion, se deducen las condiciones de cambio material y de equilibrio material en sistemas

cerrados, introduciendo las funciones de Helmholtz y de Gibbs, las condiciones de equilibrio de

fases y de equilibrio de reaccion, expresadas en terminos de los potenciales quımicos introducidos

por Gibbs, y la regla de las fases de Gibbs, consecuencia natural de estas ultimas.

Posteriormente, se aplican estos fundamentos termodiamicos al estudio de los diferentes sistemas

quımicos, sus equilibrios entre fases y sus reacciones quımicas. En primer lugar, parece razonable

introducir los sistemas ideales (gases ideales, disoluciones lıquidas ideales y diluidas ideales) y

121

proceder al estudio de sus propiedades termodinamicas, como paso previo para el estudio de los

correspondientes sistemas reales. En este estudio, el concepto de actividad introducido por Lewis

juega un papel relevante y la determinacion experimental de esta magnitud a partir de datos de

equilibrios de fases se discute con detalle, especialmente en el caso de las disoluciones de electroli-

tos. La relacion entre la constante de equilibrio y la funcion de Gibbs normal de reaccion permite

discutir la determinacion de la primera a partir de medidas calorimetricas de la segunda, con la

ayuda inestimable de la tercera ley de la termodinamica. Ademas de por medida directa y por

vıa calorimetrica, la constante de equilibrio puede tambien determinarse usando la termodinamica

estadıstica con la ayuda de datos espectroscopicos, para reacciones en fase gas, y usando datos de

celulas galvanicas. Es por ello que el bloque de termodinamica se cierra con la leccion dedicada

al equilibrio electroquımico. En ella se extienden las ecuaciones fundamentales presentadas ante-

riormente al caso de sistemas heterogeneos con diferencias de potencial electrico entre las fases,

introduciendo el concepto de potencial electroquımico y presentando las condiciones de equilibrio

de fases y de reaccion en este tipo de sistemas.

En Quımica Fısica II se aborda el estudio microscopico de los sistemas quımicos mediante la

aplicacion de los principios de la Mecanica Cuantica. Teniendo en cuenta los descriptores inclui-

dos en la Memoria de Verificacion, la Quımica Fısica II comienza enunciando los postulados de la

Mecanica Cuantica e introduciendo el algebra de operadores y su relacion con los observables fısi-

cos. Los principios de la Mecanica Cuantica se aplican entonces a sistemas modelo fundamentales

con solucion analıtica: partıcula en la caja mono y tridimensional (traslacion), oscilador armonico

(vibracion), momento angular de una partıcula y rotor rıgido (rotacion), atomo de hidrogeno,

atomos polielectronicos, moleculas lineales (diatomica fundamentalmente) y moleculas no lineales.

A lo largo de este proceso se va construyendo el cuerpo de doctrina de la Quımica Cuantica con

enfasis fundamental en los nuevos conceptos, la estructura electronica de atomos y moleculas y

los metodos aproximados y metodologıas de calculo.

El estudio de la interaccion de la materia con la radiacion electromagnetica no se puede llevar

122

a cabo de forma detallada y solo se introducen algunos aspectos del formalimo fenomenologico

de Einstein de la emision espontanea y la emision y absorcion estimuladas. Me interesa recalcar

que los espectros constituyen una prueba directa del comportamiento cuantico de la materia,

ası como una fuente de informacion estructural de gran valor a nivel molecular. Se estudian las

espectroscopıas de rotacion, vibracion y electronica en moleculas diatomicas y de mas de dos

atomos. La asignatura, ciertamente de extension grande, debe incluir tambien el estudio de las

resonancias magneticas (al menos la nuclear) y la difraccion (al menos de fotones). Esta requiere

una introduccion al estado solido y la simetrıa cristalina.

La Quımica Fısica III esta fundamentalmente dedicada a los contenidos de Quımica Fısica

correspondientes al tercer y quinto bloque del temario general. Debido a la limitacion temporal y

al bagaje de conocimientos de los alumnos, es necesario de nuevo realizar una seleccion cuidadosa

de la materia que se va a impartir. Mi propuesta es que la asignatura comience con la leccion

de la Teorıa cinetica de los gases introduciendo conceptos tales como velocidades moleculares,

frecuencia de colisiones y recorrido libre medio, que son utiles para el estudio posterior de los

Fenomenos de Transporte y de la Cinetica Quımica. El inicio de la asignatura con esta leccion se

justifica por abordarse desde la perspectiva de la Mecancia Clasica como constata su incapacidad

para pronosticar correctamente la capacidad calorifıca de los gases poliatomicos. Posteriormente se

presentan los fundamentos de la Termodinamica Estadıstica siguiendo el metodo de los colectivos

de Gibbs, con especial enfasis en el colectivo canonico y en la conexion entre las propiedades

termodinamicas del sistema y la funcion de particion del colectivo. Se analiza entonces el caso

mas simple de los sistemas de partıculas independientes mediante la introduccion de la estadıstica

de Boltzmann, lo que permite expresar la funcion de particion del sistema en terminos de las

funciones de particion moleculares, y conectar las propiedades macroscopicas del sistema con los

niveles de energıa mecanico-cuanticos. Se presentan despues los Fenomenos de Transporte no

ionicos, mostrando en primer lugar la dependencia empırica de los flujos de energıa (conduccion

termica), momento lineal (viscosidad) y materia (difusion) con los gradientes de temperatura,

velocidad y concentracion, respectivamente. A continuacion, se aprovecha la Teorıa cinetica para

123

obtener expresiones aproximadas para los tres coeficientes de transporte incluidos en las ecuaciones

fenomenologicas: conductividad termica, viscosidad y coeficiente de difusion.

La Cinetica Quımica comienza repasando los conceptos basicos de la cinetica formal y analizando

algunos esquemas cineticos y mecanismos de reaccion tıpicos. El calculo teorico de las constantes

de velocidad de reaccion para un proceso bimolecular en fase gas requiere la introduccion de la

Teorıa de colisiones de esferas rıgidas, del concepto de seccion eficaz, de las Superficies de Energıa

Potencial y de la Teorıa del Estado de Transicion. Finalmente, para el estudio de Fenomenos de

Superficie debemos de acudir al tratamiento termodinamico, pues se propone estudiar los fenome-

nos de adsorcion solido-gas, presentando las isotermas de Langmuir para la adsorcion monocapa

y de BET para la fisisorcion, a los que seguiran los mecanismos mas importantes de la catalisis

heterogenea.

La suma de todos los micro-proyectos docentes contemplados en cada GD, y su secuencia temporal

en el marco del Grado en Quımica, dan lugar a un Proyecto Docente global para la Quımica Fısica

en esta titulacion. Ciertamente, el contexto global determina practicamente en su totalidad los

parametros del proceso docente y me resulta difıcil encontrar grados de libertad que me permitan

contribuir con sustancia y autentica originalidad a una mejora de lo que he presentado. Queda

obviamente el desempeno personal de la labor presencial (y no presencial). El tono, claridad y

profundidad de las explicaciones, la relacion profesor-alumno, las recomendacioes sobre los textos

y el estudio, etc., resultan muchas veces determinantes del interes que despiertan las asignaturas

en los estudiantes, pero no entiendo que deba incluir el analisis de estos aspectos tan personales,

y en cierto modo elusivos, en esta propuesta de Proyecto Docente. Quiza el hincapie fundamental

que debe hacer el profesor, de acuerdo con las nuevas orientaciones del EEES, es el de centrar

la atencion en el aprendizaje por parte de los alumnos y en estimular este aprendizaje como un

habito que debe perdurar toda la vida, mas alla del perıodo universitario.

124

Bibliografıa

[1] I. N. Levine, Fisicoquımica, 5a edicion, Vols. 1 y 2, McGraw-Hill (Madrid, 2004)

[2] P. W. Atkins y J. de Paula, Quımica Fısica, 8a edicion, Medica Panamericana (Madrid, 2008);

P. W. Atkins y J. de Paula, Physical Chemistry, 8th edition, Oxford University Press (Oxford,

2006)

[3] D. A. McQuarrie y J. D. Simon, Physical Chemistry: A Molecular Approach, University Scien-

ce Books (Sausalito, 1997)



[6] R. S. Berry, S. A. Rice y J. Ross, Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford University Press

(New York, 2000)

[7] I. N. Levine, Quımica Cuantica, Prentice Hall (2001)

[8] V. Luana, V. M. Garcıa, E. Francisco y J. M. Recio, Espectroscopıa Molecular, Servicio de

Publicaciones de la Universidad de Oviedo (Oviedo, 2002).

[9] Ver por ejemplo, Tuning Educational Structures in Europe, J. Gonzalez y R. Wagenaar edi-

tores, Universidad de Deusto (Deusto, 2003)

[10] Ver la pagina web oficial del Proceso de Bolonia, http://www.ond.vlaanderen.be/ hogeron-

derwijs/bologna/

[11] Ver declaraciones y comunicados del Proceso de Bolonia en

http://www.ond.vlaanderen.be/hogeronderwijs/bologna/links/national-language-

Spanish.htm

[12] Ver por ejemplo http://ectn-assoc.cpe.fr/chemistry-eurolabels/cel/3-ceb01-Introduction.htm

125

[13] Ver por ejemplo http://ectn-assoc.cpe.fr/chemistry-eurolabels/cel/5-cem01-Introduction.htm

[14] Ver por ejmeplo http://www.aneca.es/activin/docs/libroblanco-jun05-quimica.pdf

[15] http://www.uniovi.es/descubreuo/ofertaformativa/grados

[16] R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. Geoffrey Herring, Quımica General, Pearson Prentice Hall,

8a ed. (2003)

[17] P. Atkins, L. Jones, Editorial Medica Panamericana, 3a ed. (Madrid, 2006)

[18] K. Denbigh, Equilibrio quımico. Editorial AC, (Madrid, 1985).

[19] J. Bertran Rusca y J. Nunez Delgado (coords.), Quımica Fısica I y II, Ariel (Barcelona, 2002)

[20] J. A. Rodrıguez Renuncio, J. R. Ruiz Sanchez y J. S. Urieta Navarro, Termodinamica quımica.

Editorial Sıntesis, (Madrid, 1998).

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[23] M. L. McGlashan, Chemical Thermodynamics. Academic Press, (Londres, 1979).

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[29] F. Daniels, J. Horward, P. Bender y R. Alberty. Experimental Physical Chemistry. McGraw-

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[30] R. J. Sime, Physical Chemistry. Methods, Techniques, and Experiments. Saunders College

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[31] S. Senent Perz, A. Hernanz Gismero, M. C. Izquierdo Sanudo, R. Navarro Delgado, F. Peral

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[42] D. A. McQuarrie, Statistical Mechanics, Harper & Row, (New York, 1976)

[43] T. L. Hill, An Introduction to Statistical Thermodynamics, Dover Publications Inc., (New

York, 1986)

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drid, 1991)

[45] J. W. Moore y R. G. Pearson, Kinetics and Mechanism, John Wiley & Sons,(Nueva York,

1981)

128

Capıtulo 3

Proyecto de Investigacion

El proyecto de investigacion que se presenta a continuacion sigue basicamente la propuesta de la

que soy investigador principal, aprobada y en curso en su primer ano, y titulada Termodinamica

y cinetica de transiciones de fase en materiales cristalinos: modelos avanzados y si-

mulaciones computacionales. Se trata de un proyecto del Programa Nacional de Proyectos de

Investigacion Fundamental no Orientada del Plan Nacional de I+D+i. Esta ademas fuertemente

relacionada con el proyecto del Subprograma Consolider titulado Materia a Alta Presion, que

tambien finalizara en Diciembre de 2012, y del que soy investigador principal del grupo de la

Universidad de Oviedo.

En ambos casos, los proyectos se plantean en un contexto de cooperacion con investigaciones

experimentales que persiguen objetivos generales comunes. Quiero resaltar este aspecto indepen-

dientemente del carater autonomo y autocontenido del proyecto investigador que presento, pues

este esta concebido para complementar y contrastar resultados experimentales, y para provocar el

diseno de nuevos experimentos.

129

Interpretacion quımica de la compresibilidad en solidos

3.1. Resumen

El uso de la presion como parametro de estudio produce excelentes mejoras en las investigaciones

fundamentales sobre el enlace quımico y sobre los cambios inducidos en las propiedades quımico

fısicas de los materiales sometidos a altas presiones. La compresibilidad es una de las magnitudes

clave para entender y controlar los efectos producidos en estas condiciones. En un sentido amplio,

la compresibilidad es una propiedad facil de entender, pero extremadamente difıcil de evaluar y

predecir. La perspectiva historica de la compresibilidad macroscopica es fısica y ha proporcionado

los fundamentos a los modelos termodinamicos de las ecuaciones de estado. Este campo de estudio

ha progresado recientemente gracias a la introduccion de la aproximacion de la compresibilidad

local, permitiendo una vision quımica nueva en la quımica fısica del estado solido y en la ciencia

de materiales, mas alla del punto de vista de la termodinamica clasica. La aproximacion de la

compresibilidad local proporciona un formalismo general para entender modelos de ecuaciones de

estado, la aparicion y la dinamica de las transciones de fase, los procesos de nucleacion y cre-

cimiento, etc. El principal objetivo de este proyecto de investigacion es contribuir al desarrollo

del formalismo subyacente en la aproximacion de la compresibilidad local, ilustrando sus ventajas

en un conjunto amplio de fenomenos en los que intervienen las altas presiones. Nuestro reto es

entender como se correlacionan las compresibilidades macro y microscopicas. El estudio se abor-

da proponiendo calculos mecanico-cuanticos y simulaciones de dinamica molecular. Pretendemos

desarrollar modelos interpretativos aplicables a diferentes tipos de compuestos, desde metales a

sistemas moleculares, con un enfasis especial dirigido a entender los fenomenos asociados con la

estabilidad de fases y la cinetica de las transiciones de fase. El progreso de esta aproximacion

microscopica requiere el uso de un lenguaje comun en la descripcion de experimentos y simulacio-

nes computacionales. Creemos que los avances en esa direccion son imprescindibles para conseguir

modelos utiles con capacidad de prediccion y de aplicabilidad general

130

3.2. Introduccion

3.2.1. Motivacion y objetivos del proyecto

El grupo de investigacion involucrado en este proyecto esta firmemente comprometido en avanzar

en el entendimiento de fenomenos relacionados con la respuesta de los solidos cristalinos a las altas

presiones, y sus aplicaciones en fısica, quımica y ciencia de materiales. El desarrollo de modelos

encaminados a generar ecuaciones universales de estado (EOS, de equations of state) juega un

papel de capital importancia para transitar con exito por vıas que satisfagan este compromiso [1-

4]. El fin ultimo es contribuir a la comprension microscopica del comportamiento de la compresion

de los solidos a nivel macroscopico, y sus consecuencias sobre los fenomenos de alta presion. Se

trata de una tarea difıcil que exige un cierto nivel de especializacion en diferentes areas cientıficas

y que se ve faciliitada por la cooperacion investigadora entre grupos experimentales y teoricos. Por

este motivo, la investigacion teorica que aquı se plantea ira acompasada cuando ası lo requiera de

referencias y propuestas experimentales.

Desde un punto de vista teorico general, pretendemos contribuir a establecer las conexiones necesa-

rias entre las soluciones mecanico-cuanticas de los programas de calculo de la estructura electronica

de solidos y los conceptos quımicos utiles involucrados en la quımica del estado solido y la cien-

cia de materiales. En este sentido, los formalismos topologicos de la densidad electronica y de

la funcion de localizacion electronica (ELF, de Electron Localization Function), desarrollados en

gran medida para sistemas solidos en nuestro laboratorio [5,6], permiten allanar el camino para

trasladar la informacion microscopica que figura en la funcion de onda multielectronica cristalina

el lenguaje quımico tradicional. Queremos ademas avanzar en la descripcion de nuevos fenomenos

de alta presion en materiales cristalinos que incluyan aspectos cineticos, para lo que es necesario

incorporar tecnicas de dinamica molecular. Debemos de tener en mente que la caracterizacion

experimental del comportamiento de muestras sometidas a condiciones extremas de presion y

temperatura avanza de forma progresiva y se hace cada vez mas accesible en un mayor numero de

131

laboratorios de investigacion.

Teniendo en cuenta el escenario experimental, nuestro reto es ofrecer una descripcion microscopica

de la compresibilidad de los materiales cristalinos mediante el desarrollo de modelos interpretativos

rigurosos de los fenomenos de alta presion basados en la llamada aproximacion de la compresi-

bilidad local (LCA, de local compressibility approximation) [7-9]. En esencia, la respuesta global

de un cristal a variables externas se descompone en contribuciones microscopicas independientes

que se pueden transferir entre los compuestos. Esta vision ha sido confirmada por experimentos

de alta calidad en condiciones de alta presion y temperatura y por simulaciones computacionales

de sistemas en esas condiciones, concluyendo que la CL es un concepto clave para interpretar una

amplia gama de fenomenos tales como la dureza, la estabilidad de fases, transiciones de fase y

otros procesos quımicos inducidos por presion, que estan mucho mas alla del ambito tradicional de

la EOS. De interes primordial en nuestra investigacion es la compresibilidad cristalina que, en este

marco, se puede recuperar mediante la suma de compresibilidades locales asociadas a entidades

quımicas bien identificados en el solido. Vamos a concentrar nuestros esfuerzos para ilustrar la

importancia de la LCA en una serie de fenomenos, que estan organizados de la siguiente manera:

(i) procesos homogeneos que ocurren en una o dos fases (EOS, estabilidad de fase y transiciones

de fase que preservan cristalinidad), y ( ii) procesos heterogeneos o de nucleacion y crecimiento

que afectan a dos fases, y su implicacion en la estabilidad de nanocristales (fusion, amorfizacion,

transformaciones solido-solido difusivas). En todas estas investigaciones, la EOS aparecera junto

con la compresibilidad local como el hilo conductor del proyecto.

3.2.2. Antecedentes

La compresibilidad mide la variacion relativa de una dimension de un sistema (longitud, superficie,

volumen) producida por la aplicacion de presion. La compresibilidad macroscopica o compresibi-

lidad del bulk se introduce generalmente en el marco de la termodinamica en una etapa temprana

de nuestra carrera academica, y esta por lo general vinculada a la medicion de superficies (pre-

132

sion,volumen,temperatura; p,V ,T ) y al desarrollo de los modelos de EOS. En este sentido, el

analisis del comportamiento experimental de la compresibilidad de solidos y lıquidos ha permi-

tido el desarrollo de EOS universales (UEOS) [1-4,10] con el objetivo de encontrar un principio

de estados correspondientes en ambas variables, presion y temperatura, para diferentes clases de

compuestos. Como resultado, los modelos UEOS son hoy en dıa utilizados con exito en diferentes

campos cientıficos y tecnologicos, desde la geologıa hasta la ingenierıa quımica [11,12].

Durante las dos o tres ultimas decadas, ha surgido una concepcion mas amplia de la compresibili-

dad al considerar el enfoque de la LCA. En cierto sentido y de forma sencilla, se corresponderıa con

una vision microscopica de la compresibilidad en la que la magnitud relevante es el cambio relativo

en las distancias interatomicas debido a la accion de una compresion externa. La compresibilidad

local estarıa por lo tanto intuitivamente vinculada a las constantes de fuerza de los modelos de

muelles elasticos [13], lo que permite una facil conexion transversal con los modelos basados en

potenciales de interaccion, con la interpretacion de experimentos de espectroscopia vibracional,

y con los calculos de densidad electronica y energıa total. Quizas el modelo mas conocido entre

los quımicos de estado solido relacionado con la LCA es el presentado por Hazen y Finger en

la decada de 1980 y que condujo al concepto de compresibilidad poliedrica [14]. Este concepto

simple pero potente es una de las piedras angulares de la Quımica Cristalina moderna, con un

impacto fundamental en la mayorıa de las correlaciones composicion-estructura-propiedades y los

esquemas de transferibilidad de propiedades.

Basandose en la teorıa del enlace de valencia (VB, de valence bond) [15] y en experimentos es-

tructurales a alta presion, se han producido desarrollos recientes que han conducido a modelos

fenomenologicos para describir la fuerza que ejerce un enlace quımico sobre los atomos terminales,

dando lugar a expresiones analıticas para la constante de fuerza y la compresibilidad del enlace

[16]. Estas expresiones se han aplicado con exito para analizar el origen de inestabilidades estruc-

turales y transiciones de fase, por ejemplo, en perovskitas [17]. Resultados recientes han mostrado

tambien que los solidos son clasificados inequıvocamente en dos grupos segun su respuesta a la

133

presion hidrostatica: aquellos con electrones compartidos (metales y cristales covalentes) obedecen

a una relacion simple entre la densidad electronica promedio de los electrones de valencia y la

compresibilidad, mientras que la repulsion de Pauli determina la respuesta de la presion en los

solidos con capas cerradas (solidos ionicos y moleculares) [18].

Estas ideas seran de gran ayuda para este proyecto, ya que proporcionan una base teorica a las

compresibilidades atomicas e incluso sub-atomicas (core, valencia, enlace, etc.). Una clasificacion

sinoptica de las diferentes compresibilidades diferentes consideradas se muestra en la Fig. 3.1 y se

seguira desarrollando en este proyecto.

Figura 3.1: Clasificacion jerarquica de las compresibilidades contempladas en el proyecto

Es interesante senalar que el concepto de metaestabilidad, aunque no aparezca de forma explıcita,

subyace en la mayorıa de los fenomenos que citamos. Introduciendo la aproximacion de la inestabi-

lidad spinodal (SIA, de spinodal instability approximation) [4,9,19], nuestro trabajo ha contribuido

en avanzar en algunos aspectos relacionados con las implicaciones de este concepto. Desde el punto

de vista macroscopico, la idea basica es que una fase determinada puede idealmente permanecer

134

metaestable hasta que la compresibilidad diverga a infinito (es decir, el modulo de compresion

tienda a cero), en el mismo sentido que una de las condiciones de inestabilidad de Born. Por lo

tanto, el lımite de la estabilidad (o inestabilidad) se puede utilizar para establecer un regimen

de estados correspondientes para los cristales. La aplicacion con exito de la SIA para deducir

modelos UEOS de cristales nos permite ampliar este esquema a otros fenomenos [9]. Por ejemplo,

la fusion puede ser tratada de esta forma. Durante muchos anos, ha habido incertidumbre sobre

los procesos que desencadenan la fusion en los cristales. Dentro de la SIA, la fusion mecanica en

ultima instancia se producira cuando la compresibilidad del cristal diverga.

Ademas, la LCA permite introducir un enfoque de la inestabilidad vibracional adecuada para la

descripcion de la fusion en lınea tambien con las ideas de Lindemann. Simulaciones recientes de

dinamica molecular [20] confirman una fuerte correlacion entre los criterios de Lindemann y de

Born: la fusion es iniciada por inestabilidades locales de red gobernadas por ambos tipos de crite-

rios. El desarrollo de tecnicas de alta temperatura asociadas a las celdas de yunque de diamante

(DAC, de diamond anvil cell) ha dado lugar a un aumento de un orden de magnitud en el rango de

presiones accesibles para el estudio de la fusion [21]. Globalmente, pensamos que la combinacion

de LCA y SIA puede ser de mucha ayuda en la racionalizacion y diseno de experimentos de fusion

de materiales bajo condiciones extremas.

Otro concepto clave en la quımica moderna de estado solido y de la ciencia de materiales que

esta basado en la LCA es la presion quımica [22]. Este es un concepto que puede visualizarse

facilmente si pensamos en el cambio en la compresibilidad local originida por la substitucion

de un atomo en una posicion cristalina. Tanto la presion quımica como la presion espinodal

tienen importantes implicaciones quımico cuanticas. Ası, la particion de la compresibilidad en

contribuciones de core y valencia, nos permite llevar a cabo un analisis de las propiedades de

las cuencas con el fin de encontrar una definicion de la presion quımica que se relacione con la

estabilidad del sistema. Nuestros estudios recientes [9] han demostrado que la presion espinodal

de los iones en haluros alcalinos y espinelas es igual a la asignada a los iones constituyentes. Por

135

lo tanto, se puede recuperar una definicion de potencial quımico macroscopico, permitiendonos un

enfoque de la estabilidad de los compuestos en terminos microscopicos.

A lo largo de estos anos, nuestro objetivo ha sido desarrollar estos conceptos y darles una base

teorica, ası como sugerir evidencias experimentales de la capacidad de la presion espinodal para

caracterizar el estado de un cristal y predecir la direccion de las deformaciones hacia el equilibrio.

En este sentido, y siguiendo lıneas de investigacion anteriores, los materiales moleculares contienen

una gran potencialidad al abarcar desde el ambito molecular, en el que las leyes son bien conocidas,

al estado solido, cuyas leyes aun estan lejos de tener un poder predictivo.

3.2.3. Interes actual en Quımica de Altas Presiones

El potencial de las altas presiones es continuo, atrayendo a quımicos de diferentes ambitos, no

solo los relacionados con la ciencia de materiales. En palabras del Premio Nobel Roald Hoffmann,

cuando se le pregunto en una reciente entrevista [23] sobre su interes en la quımica de alta presion

dijo: The high pressure realm is a playground for bonding ideas. It’s so much fun to see carbon

dioxide turn into quartz at high pressure - that is, in terms of its bonding properties. When the

pressure is removed, carbon dioxide gas bubbles off. The high pressure community needs a valued

high pressure synthesis of a desired material (other than diamond). The problem is that after you

reach a metastable structure, the return to the ambient pressure form usually does not encounter

large barriers because the reactions are symmetry-allowed. I would love to design a reaction that

would face high barriers, but it’s tough. Also, I have a wish to convince the physics community,

which has a big stake in the high pressure research, that a chemist’s intuition of what is stable or

unstable has some validity and utility. El review de Grochala, Hoffmann et al. [24] es realmente

ilustrativo del potencial de la quımica de alta presion.

Los fundamentos fısicos de la alta presion estan en realidad bien establecidos y es hora de que los

quımicos aprovechen este conocimiento para disenar nuevas rutas de sıntesis y nuevos compuestos.

Sin embargo, hay todavıa algunas cuestiones fundamentales que deben ser traducidas al lenguaje

136

quımico comun. En otras palabras, los fundamentos quımicos de la ciencia y la tecnologıa de la alta

presion aun deben perfeccionarse. Cuando un material determinado es sometido a altas presiones,

suficientes como para inducir cambios dramaticos en su estructura cristalina, nuevo polimorfos

o nuevos compuestos quımicos se obtienen. Aunque los cambios en los enlaces quımicos son mas

evidentes en el segundo caso, creemos que ambos tipos de transformaciones deben abordarse bajo

un punto de vista quımico. Esperamos que la LCA proporcione el marco adecuado para hacerlo,

y para tender puentes que comuniquen la comprension del enlace quımico con aplicaciones en la

sıntesis de nuevos materiales.

3.2.4. Compresibilidad local y fenomenos de una sola fase

Junto con la radiacion electromagnetica y los agentes quımicos, la presion y la temperatura son

ingredientes esenciales para modificar el comportamiento y la funcionalidad de la materia. Las

variables termodinamicas inducen modificaciones progresivas y suaves en las propiedades de una

fase determinada estable o metaestable de un compuesto, ası que primero debemos referirnos a

los fenomenos de una sola fase.

La informacion basica sobre el comportamiento termodinamico p, V, T de un compuesto dado es

proporcionada por la EOS, que se expresa habitualmente en terminos del modulo de compresibili-

dad, B0, (la inversa de la compresibilidad) y su derivada con respecto a la presion, B′

0, evaluadas a

presion nula, junto con el coeficiente de expansion termica. Desde el punto de vista experimental,

esto implica la medidas de difraccion o de constantes elasticas (por ejemplo, por dispersion de

Brillouin), mientras que desde el punto de vista teorico implica calculos de energıa total y analisis

de modelos de EOS. La mayorıa de EOS se basan en la llamada aproximacion de Gruneisen, en

la que se incluyen los efectos termicos de Debye o los modelos estadısticos de tipo Einstein, que

exigen el conocimiento de la dependencia con la presion y la temperatura de la densidad de estados

vibracional (fonones).

137

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 200.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

B0

(GPa

)

aver

ga e

lect

ron

dens

ity (

e/bo

hr3 )

Atomic Number, Z

He Li

Be

B

C

N2Ne

NaMg

AlSi

P

Cl2

Ar K Ca

Figura 3.2: Compresibilidades de los elementos quımicos (cuadrados vacıos) y de sus valencias

electronicas (estrellas) desde el He hasta el Ca. Los restantes sımbolos hacen referencia a la den-

sidad electronica promedio

Ademas de su relevancia termodinamica por su relacion con la EOS, la compresibilidad, dentro de

la LCA, proporciona una fuente de evaluacion rigurosa de las fuerzas interatomicas (o constantes

de fuerza) y permite evaluar la relacion entre las fuerzas intermoleculares e intramoleculares en

cristales moleculares. Una vez mas, se necesitan mediciones precisas y calculos de los espectros

de vibracion de los cristales. La introduccion de parametros de Gruneisen modales proporciona

el nexo estandar entre compresibilidades locales y cristalinas. Sin embargo, recientemente hemos

llamado la atencion sobre la posible extrapolacion del concepto de inestabilidad espinodal al nivel

microscopico para dar cuenta de dicha relacion [9], y este nuevo enfoque sera objeto de estudios

pormenorizados en este proyecto. Se puede presentar una vision naif de esta relacion mediante el

138

analisis de la forma de los potenciales de pareja, ya que la condicion espinodal para un par de

atomos se puede definir cuando la segunda derivada del potencial de interaccion es cero, lo que

corresponde al punto de silla del potencial.

Tambien debemos senalar que la fusion es la transicion de primer orden que abarca el intervalo

mas amplio de presiones y temperaturas para un compuesto dado. Ası, los datos de fusion son

una fuente rica de informacion sobre el papel desempenado por las fuerzas interatomicas en la

determinacion de la respuesta de los cristales a la presion y la temperatura. Como con frecuencia se

encuentra en la literatura, la fusion puede ser, en principio, tratada como un fenomeno de una fase

tanto en el enfoque de Born (espinodal) como bajo los enfoques tipo Lindemann. En este sendido,

nosotros estamos comprometidos en el desarrollo de un modelo basado en la compresibilidad

de los elementos quımicos. En general, la cuestion de si la compresibilidad se puede considerar

como una propiedad atomica en sı misma podrıa aclararse en el contexto de la LCA puesto que

existen correlaciones entre los modulos de compresibilidad de los elementos y el de sus densidades

electronicas de valencia, y ambos muetran un comportamiento periodico (ver Fig. 3.2). Debemos

senalar que tanto la dureza fısica como la quımica (dentro de la formulacion de Pearson-Parr

[25]) estan ıntimamente relacionadas a nivel atomico, y seran objeto de analisis detallados en el

desarrollo de este proyecto.

3.2.5. Transiciones de fase en el contexto de la LCA

Como se senalo anteriormente, la presion y la temperatura inducen modificaciones progresivas y

suaves en las propiedades de una fase determinada estable o metaestable de un compuesto, pero

su efecto puede llegar a un punto crıtico cuando se producen cambios dramaticos en la estructu-

ra cristalina del solido, que conducen bien a nuevos polimorfos o, eventualmente, a compuestos

quımicos diferentes. Aunque la naturaleza de estas transformaciones puede tener connotaciones

quımicas, es comun referirse a este tipo de fenomenos como transiciones de fase. Son de capital

importancia en muchos temas de la cristalografıa moderna, la geologıa, la fısica de la materia

139

condensada y la quımica y la ciencia de los materiales. En general, es necesario diferenciar entre

los aspectos termodinamicos y cineticos de las transformaciones de fase. Los primeros se refieren

a a los rangos de presion y temperatura en los que una fase es estable, y con los cambios en

las propiedades termodinamicas que experimenta un compuesto debidos a la transformacion. Los

cineticos tienen que ver con el mecanismo y la velocidad con la que una fase se transforma en otra.

Desde una perspectiva fundamental, es deseable tener acceso a la correlacion existente entre los

cambios macroscopicos observados (difraccion de rayos X, infrarrojo, Raman) y los que ocurren en

la geometrıa y estructura electronica del material a lo largo de la transformacion. Una comprension

completa de estas correlaciones requiere un conocimiento detallado de las interacciones atomicas

y moleculares dentro de los solidos cristalinos accesibles en parte mediante calculos y simulaciones

computacionales. Hemos querido ilustrar con los diagramas de la Fig. 3.3 esta interconexion entre

teorıa y experimentos en el campo de las altas presiones, incluyendo los las EOS y la LCA como

conceptos centrales en nuestro proyecto.

La LCA es clave para entender muchos aspectos de la termodinamica que interviene en las tran-

siciones de fase. Dado que la estabilidad de fase de un compuesto dado se vincula a la presion

quımica de sus componentes atomicos, el lımite termodinamico entre fases puede determinarse a

partir de las EOS atomicas proveniente de la LCA. Ası, una vez que la EOS de los atomos que

forman un compuesto son conocidos, podemos tener acceso a la evolucion bajo presion de diferen-

tes fases cristalinas de un compuesto dado a partir de su formula quımica, siempre que estas EOS

atomicas sean transferibles entre fases.

Este conocimiento permitirıa la determinacion de la presion a la que dos fases son termodinami-

camente competitivas, es decir, la presion de transicion. Este enfoque microscopico proporciona

grandes beneficios ya que, bajo la hipotesis de transferencia, nos permite calcular la presion de

transicion de los compuestos a partir de un conjunto limitado de EOS atomicas. Por otra parte,

el principio de la LCA es tambien de ayuda en el complejo proceso de descarte de mecanismos de

transicion. El perfil de mınima energıa que conecta dos estructuras cristalinas debe seguir un prin-

140

Figura 3.3: Interconexiones entre experimentos y teorıa en el ambito de fenomenos de alta presion

cipio de mınima reorganizacion estructural [26]. Nuestros resultados recientes [27] han demostrado

que esta regla intuitiva no solo se aplica a las propiedades geometricas de las transformaciones del

estado solido, sino que puede extenderse para incluir una mınima reorganizacion electronica, me-

dida por la topologıa de la ELF, proporcionando ası una guıa robusta para descartar mecanismos

de transicion. La ELF permite comprender el patron electronico de las fases y sirve para identificar

similitudes locales en los estados de transicion propuestos. Desde el punto de vista termodinami-

co, esta reorganizacion mınima deberıa estar relacionada con un potencial quımico mınimo a lo

largo de la transicion. Puesto que nuestro principio de la LCA no es mas que una reinterpretacion

atomica del potencial quımico local, es de esperar que un potencial quımico mınimo identifique la

ruta de transicion competitiva.

En cuanto a las transformaciones heterogeneas de tipo difusivo, las compresibilidades locales pue-

den informar sobre los tamanos esperados de los granos y la densidad de los dominios a lo largo

141

de los procesos de nucleacion y crecimiento. Si el desajuste entre las compresibilidades locales

de los componentes atomicos y moleculares del solido es bajo, se espera que estos componentes

presenten movilidad similares produciendo una baja densidad de granos gruesos. Por el contrario,

diferentes compresibilidades locales se correlacionan con una alta densidad de dominios de pe-

queno tamano. Esto se debe a la diferente respuesta que los atomos de alta y baja compresibilidad

muestran a lo largo de las transformaciones de fase. Los segundos tienden a moverse de sus po-

siciones de equilibrio, mientras que los primeros son capaces de deformar su densidad electronica

para readaptarse al exceso de tensiones locales. Estos fenomenos tienen implicaciones interesantes

para el entendimiento de la estabilidad de nanopartıculas.

3.2.6. Grupos nacionales e internacionales en el campo de las altas

presiones

La comunidad cientıfica espanola que trabaja en el campo de las altas presiones ha recibido un

importante reconocimiento con el proyecto de excelencia Matter at High Pressure (Materia

a Alta Presion-MALTA) CSD2007-00045, con una financiacion de 1 millon de euros anuales

durante 5 anos dentro del Programa Consolider Ingenio-2010 del programa nacional de I+D+i.

Los grupos nacionales mas relevantes del campo estan implicados en MALTA, donde se producen

colaboraciones fructıferas de forma continuada, concentrando la mayor parte de las lıneas de

investigacion en la ciencia y la tecnologıa de alta presion a nivel nacional. Informacion detallada

y completa se encuentra en la pagina web www.malta-consolider.com que mantiene actualizada

nuestro grupo de la Universidad de Oviedo. De forma breve podemos resumir las prioridades

cientıficas de MALTA en estas tres lıneas:

El agua y los sistemas relacionados con la vida

Propiedades fısicas y reactividad quımica de sistemas moleculares bajo presion

Estructura, estabilidad y reactividad de minerales

142

Estas lıneas de investigacion podran beneficiarse sin duda de los resultados obtenidos en el pre-

sente proyecto. Debemos senalar que los objetivos especıficos de nuestro proyecto no tienen cabida

en un proyecto multidisciplinario, como MALTA. Por otro lado, el presente proyecto se benefi-

ciara asi mismo de la cooperacion con otros grupos de MALTA y de la infraestructura que MALTA

esta actualmente desarrollando.

Otros grupos que trabajan en el campo de la alta presion a nivel nacional se pueden encontrar en la

UCM (M. A. Alario) UAM (C. Carreno), CSIC-CIMM (varios investigadores), UPV (A. Bergara),

... y la lista de los cientıficos que ahora incorporan tecnicas de alta presion en sus laboratorios

esta en continuo crecimiento. Existe tambien una serie de institutos de investigacion dedicados a

la investigacion de alta presion en todo el mundo, algunos de los mas importantes se muestran

en la Tabla 3.1. Se incluyen las dos mayores asociaciones mundiales para la investigacion de alta

presion (EHPRG y AIRAPT).

143

INSTITUCIONES INTERNACIONALES Pagina Web

European High Pressure Research Group (EHPRG) http://www.ehprg.org/

Int. Assoc. for Advancement of High Pres. and Technology (AIRAPT) http://www.ct.infn.it/airapt/

European Laboratory for Non-linear Spectroscopy (LENS, Italy) http://www.lens.unifi.it/index.php?nl=matter

Centre for Science at Extreme Conditions (CSEC, UK) http://www.csec.ed.ac.uk/links.html

Lab. de Physique des Milieux Condenses (France) http://web.ccr.jussieu.fr/lab/p6/ufr925/lab7/d.html

Max-Planck-Institut fur Chemie, High Pressure Group (Germany) http://www.mpch-mainz.mpg.de/ geo/highpressure/

Bavarian Res. Inst. of Exper. Geochemistry and Geophysics (Germany) http://www.bgi.uni-bayreuth.de/

Inst. of High Pres. Phys. of the Polish Academy of Sciences (Poland) http://www.unipress.waw.pl

CDAC at the Carnegie Institution of Washington (USA) http://www.cdac.gl.ciw.edu/

CHHPR The Center for High Pressure Research (USA) http://www.chipr.sunysb.edu/

Lawrence Livermore National Laboratory (USA) http://www.llnl.gov

Consor. for Mater. Properties Res. in Earth Sciences (COMPRES, USA) http://www.compres.stonybrook.edu/

Japan Society for High Pressure Science and Technology (Japan) http://www.highpressure.jp/english/

Tabla 3.1: Principales instituciones mundiales de investigacion en altas presiones

144

3.3. Objetivos

3.3.1. Hipotesis iniciales

La Quımica de Materiales sometidos a altas presiones es un area de investigacion importante

para abrir nuevas vıas para la estabilizacion de nuevos materiales que pueden no ser accesibles a

traves de otras rutas quımicas. Debido a la variedad de composiciones quımicas y de estructuras

involucradas, las altas presiones son tambien un banco de pruebas excelente para mejorar las

investigaciones sobre el enlace quımico y los cambios inducidos en las propiedades fısico-quımicas

de diferentes materiales.

Como hemos resaltado repetidamente, una de las propiedades clave para entender y controlar

los efectos de presiones extremas es la compresibilidad. En un sentido amplio, esta propiedad

es facil de entender, pero muy difıcil de predecir y evaluar. Sin embargo, la introduccion del

enfoque de la aproximacion de la compresibilidad local (LCA) ha abierto nuevas vıas cientıficas,

mas alla de la termodinamica clasica, que permite obtener nuevos conocimientos en la fısica

y la quımica del estado solido y en la ciencias de materiales. Creemos que la LCA establece

un marco general para la comprension de los modelos de ecuacion de estado, la ocurrencia y

la dinamica de transiciones de fase, los procesos de nucleacion y crecimiento, etc. El objetivo

principal de nuestro proyecto de investigacion es contribuir al desarrollo del formalismo LCA

ilustrando sus ventajas en una variedad de fenomenos de alta presion. Nuestro desafıo es entender

como la compresibilidad cristalina macroscopica se correlaciona con las compresibilidades locales

(microscopicas). Abordamos el problema proponiendo calculos mecanico-cuanticos y simulaciones

de dinamica molecular. Pretendemos desarrollar modelos interpretativos aplicables a diferentes

tipos de compuestos, desde metales a sistemas moleculares, con un enfasis especial dirigido a

entender los fenomenos asociados con la estabilidad de fases y con la cinetica de las transiciones

de fase.

145

3.3.2. Resultados previos

El punto de vista microscopico es una apuesta para progresar en el conocimiento cientıfico. No se

basa unicamente en la descripcion de la mecanica cuantica de los sistemas quımico fısicos, sino en

la comprension general de las propiedades y el comportamiento de la materia en terminos de sus

constituyentes mas ıntimos. Nuestro grupo tiene una larga experiencia con dedicacion detallada

al desarrollo de modelos de interpretacion microscopica y su aplicacion a los fenomenos de alta

presion. De hecho, el enfoque microscopico ha sido fundamental para proyectos pasados y activos

(MALTA) (ver Tabla de proyectos mas adelante).

Un ejemplo ilustrativo del transito hacia la interpretacion microscopica es el trabajo desarrollado

sobre la ecuacion de estado spinodal (SEOS, de Spinodal Equation of State) desarrollada por el

grupo de la Universidad Complutense de Madrid (M. Taravillo, V. G. Baonza, J. Nunez, and M.

Caceres, Phys.. Rev. B 54, 7034 (1996) y referencias allı contenidas). La SEOS se analizo y se

extendio con exito a la descripcion del comportamiento macroscopico bajo presion y temperatu-

ra de los parametros estructurales monodimensionales de celda del de TiO2 rutilo (Phys. Rev.

B 67, 064110 (2003)). Recientemente, la hipotesis de la inestabilidad espinodal ha sido analiza-

da microscopicamente en terminos de contribuciones locales produciendo SEOS ionicas para los

constituyentes de haluros alcalinos y espinelas de oxido (M. Taravillo, E. del Corro, J. Contreras

Garcıa, A. Martın Pendas, J. M. Recio, and V. G. Baonza, High Press. Res. 29, 97, (2009)).

Trabajos en curso demuestran la utilidad de esta extension microscopica de los SEOS para llegar

a reglas generales que describan la estabilidad de fase en solidos.

Otro ejemplo tiene que ver con los recientes avances en el analisis del enlace quımico en cristales

inorganicos. La topologıa de la densidad electronica de la sub-red metalica se ha revelado como

factor determinante para explicar la estructura y la estabilidad de estos compuestos (vease A.

Vegas, D. Perez-Santamarıa, M. Marques, M. Florez, V. G. Baonza, and J. M. Recio, Acta Cryst.

B 62, 220 (2006), y M. Marques, M. Florez, J. M. Recio, D. Perez-Santamarıa, A. Vegas and V.

G. Baonza, J. Phys. Chem.. B 110, 18609 (2006)). La presion quımica se presenta aquı como un

146

concepto clave para entender la evolucion de la presion inducida por secuencias polimorficas a lo

largo de familias de compuestos analogos. Como un subproducto de estas investigaciones, estamos

ahora involucrados en la propuesta de una nueva EOS analıtica para generalizar el comportamiento

de los metales bajo condiciones extremas, incluyendos las transformaciones en estado solido y los

procesos de fusion.

Nuestro grupo ha adquirido en los ultimos anos experiencia en el desarrollo de modelos microscopi-

cos de interpretacion para analizar los resultados experimentales obtenidos en solidos cristalinos

sometidos a condiciones de alta presion. En concreto, mantenemos una colaboracion desde hace

mas de quince anos con el grupo experimental dedicado a medidas cristalograficas de difraccion

de rayos X dirigido por el profesor Leif Gerward (Denmark Technical University). Investigaciones

conjuntas proporcionaron las bases para el diseno de materiales de baja compresibilidad (alta

dureza). Hemos aprendido que los oxidos y nitruros del grupo de carbono, en los que el elemen-

to de este grupo aparece hexa-coordinado, son candidatos potenciales a ser considerados como

materiales superduros. Se sintetizo la fase espinela del nitruro de silicio (Phys. Rev. B (Rapid

Comunicacion) 65, 161202 (2002)) a 1500 K y 15 GPa, un ejemplo que ilustra el exito de la

cooperacion experimental y teorica en el campo de las altas presiones. Nuestros estudios en cris-

tales covalentes (β- y γ-C3N4, Phys. Rev. B 70, 104114, (2004)) y moleculares (CO2, J. Phys.:

Condensed Matter 16, S1263, (2004); J. Phys. Chem. B 113, 1068 (2009)) proporcionan resulta-

dos interesantes, con nuevos retos para la sıntesis de materiales a altas presiones, y confirmar la

necesidad de retroalimentacion en las investigacioens de teoricos y experimentales.

Por otra parte, nuestro apoyo y desarrollo teorico de la LCA proviene tanto de una serie de

publicaciones anteriores como de trabajos de investigacion recientes. El exito de la aplicacion del

analisis microscopico basado en las compresibilidades atomicas y/o poliedricas se ilustra en las

descomposiciones de la compresibilidad cristalina en contribuciones locales en haluros alcalinos,

espinelas de oxido y TiO2 anatasa (Phys. Rev. B 62, 13970 (2000), Phys. Rev. B. 63, 184101

(2001), Phys. Rev. B 64, 184113 (2001)), la estabilidad de fase en haluros alcalinos (Phys. Rev.

147

B 66, 144112 (2002), Phys. Rev. B 68, 014110 (2003)), el polimorfismo de MgAl2O4 (Phys. Rev.

B 66, 224114 (2002)), el origen de fases potencialmente superduras en espinelas de nitruro (Phys.

Rev. B 68, 064115 (2003)), la polimerizacion inducida por presion en el CO2 solido (J. Phys

Chem B 113, 1068 (2009)), etc. Una gran cantidad de resultados relacionados con el formalismo

topologico de la ELF y su implicacion en la LCA ha sido presentado recientemente en la Tesis

Doctoral de Julia Contreras Garcıa (Chemical Bonding in crystalline solids, Universidad de Oviedo

(2008)).

Resultados previos de otros grupos. Solo para resumir, nos referimos a las contribuciones gene-

rales de artıculos de revision de avances importantes en el campo de las altas presiones, tanto

experimentales como teoricos, y que contienen referencias a temas concretos: Density Functional

Theory of Atoms and Molecules, R. G. Parr and W. Yang (Oxford University Press, Nueva York

(1989)); High-Temperature and High-Pressure Crystal Chemistry, R. M. Hazen and R. T. Downs,

eds. (Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 41 (2000)); Electronic basis of the strength of

materials, J. Gilman (Cambridge Univesity Press, Cambridge (2003)); The Chemical Imagination

at work in very tight places, W. Grochala et al. (Angew. Chem. 46, 3620 (2007)).

3.3.3. Objetivos del proyecto

Objetivos Generales

Proporcionar un formalismo microscopico a los fenomenos de alta presion en materiales

cristalinos

Establecer una interpretacion amplia de la estabilidad estructural de los solidos

Desarrollo y formalizacion de modelos interpretativos de las transiciones de fase solido-solido

Desarrollo de herramientas computacionales de libre acceso para el analisis de la funcion de

onda cristalina, la identificacion de trayectorias atomicas a traves de caminos de transicion de

fase, y la determinacion numerica y analıtica de EOS de solidos incluyendo efectos termicos

148

Ilustrar la aplicabilidad de modelos interpretativos y herramientas computacionales en una

amplia gama de solidos de distinta naturaleza, con especial enfasis en la correlacion entre la

estructura quımica y las propiedades de los materiales

Todos estos objetivos generales se podrıan resumir en uno solo dirigido a un publico amplio de

la quımica del estado solido y de la ciencia de materiales: hacer accesible mediante conceptos

quımicos utiles la informacion contenida en las soluciones mecanico cuanticas de los sistemas

cristalinos sometidos a condiciones extremas de presion y temperatura. A continuacion se listan

los objetivos particulares de este proyecto. Estan organizados en tres bloques, y estan planteados

con el proposito de cumplir este objetivo global.

Objetivos Especıficos

Desarrollo de formalismos y tecnicas computacionales

• A. Formalizacion de modelos fenomenologicos clasicos y extendidos de los procesos de

nucleacion y crecimiento en transformaciones solido-solido.

• B. Programacion de una interfaz entre nuestro codigo de analisis topologico de la ELF

y codigos estandar comerciales de calculo de la estructura electronica de solidos

• C. Mejoras en nuestras herramientas computacionales de evaluacion de efectos termicos

sobre las EOS y las propiedades termodinamicas de materiales cristalinos

• D. Incorporacion y configuracion de tecnicas de dinamica molecular para la descripcion

de mecanismos de transicion de fase

• E. Formalizacion de modelos estaticos en la propuesta de mecanismos de transicion de

fase solido-solido

• F. Utilizacion y generalizacion de una herramienta numerica para la evaluacion de las

trayectorias atomicas en caminos de transicion

149

Modelos avanzados en el marco de la aproximacion de la compresibilidad local

• G. Revision del modelo de carga de enlace (bond charge model) a la luz del formalismo

de la ELF

• H. Materiales moleculares superconductores a la luz del formalismo de la ELF

• I. Modelos interpretativos de transiciones de fase homogeneas y heterogeneas con im-

plicaciones sobre la estabilidad de nanopartıculas

• J. Modelos de EOS para los metales bajo condiciones extremas a la luz de los forma-

lismos de atomos en moleculas y de la ELF

• K. Correlaciones entre los parametros de los formalismos fenomenologicos de nucleacion

y crecimiento y propiedades microscopicas

Simulaciones computacionales del comportamiento de materiales cristalinos bajo presion

• L. Compresibilidad de las fases solidas de los elementos quımicos a lo largo de la tabla

periodica

• M. Simulaciones estatica y de dinamica molecular de transiciones de fase en compues-

tos prototipo ionicos, covalentes, metalicos y cristales moleculares (haluros alcalinos,

carbono, sılice, calcio, oxıgeno, circon, ZnO, TiO2, etc)

• N. Base de datos con los modos de vibracion en Γ a presion nula para un conjunto

de compuestos con interes geofısico y geoquımico: MgSiO3, FeSiO3, Al2O3, MgO, FeO,

CaSiO3, SiO2, MgAl2O4, NaAlSiO4, KAlSi3O8, NaAlSi3O8, CaAl4Si2O11, δ-AlOOH,

CaCO3, MgCO3, etc.

150

3.4. Metodologıa y Plan de Trabajo

3.4.1. Metodologıa

La mayorıa de las simulaciones computacionales propuestas en este proyecto se llevan a cabo

mediante programas de calculo basados en metodologıas mecanico-cuanticas y consistentes con

primeros principios. Podemos entender que en lıneas generales los fundamentos de los formalismos

en los que descansan estos codigos estan libres de parametros empıricos. Algunos de ellos han sido

desarrollados en nuestro laboratorio. Se pueden clasificar de acuerdo con los siguientes propositos

o tareas: (a) energıa total (b) ecuacion de estado, (c) vibraciones cristalinas, (d) mecanismo de

transicion de fase y (e) analisis de la funcion de onda.

(A) Energıa total. El calculo de la estructura electronica cristalina se realiza por medio de codi-

gos (state of the art) estandar tales como CRISTAL, VASP o ABINIT. Solo el primero incluye el

procedimiento HF-LCAO con funciones de Bloch en terminos de combinaciones lineales de orbita-

les atomicos construidos con funciones de tipo gaussiano localizadas. Son posibles tanto calculos

all electron como el uso de pseudopotenciales. La energıa puede ser corregida perturbativamente

mediante funcionales de la densidad electronica de intercambio y correlacion. Este procedimiento

presenta caracterısticas no deseadas (falta de universalidad, problemas de pseudo-dependencia li-

neal, errores de superposicion de base, ....). La alternativa es el uso directo de ondas planas como

funciones de base, ya que constituyen un conjunto universal, ortogonal y, en principio, completo.

Esta es la estrategia implementada en el codigo VASP que resuelve las ecuaciones de Kohn-Sham

en el espacio recıproco y utiliza la aproximacion de los pseudopotenciales. Incluye, tambien, la

posibilidad de utilizar el metodo PAW (de projected augmented wave), lo que proporciona a esta

metodologıa con gran versatilidad, eficiencia y precision en la simulacion de sistemas quımicos

diferentes y en la determinacion de las secuencias polimorficas inducidas por presion.

Referencias: R. Dovesi, V. R. Saunders, C. Roetti, M. Causa, N. M. Harrison, y R. Orlando, CRYS-

TAL98, User’s Manual, Univesity of Torino (1999); G. Kresse y Furthmuller J., Ab Initio Viena Si-

151

mulation Programme (VASP), Comput. Mat. Science 6, 15 (1996); El codigo ABINIT es un proyecto

comun de la de Universidad Catolica de Lovaina, Corning Incorporated, y otros colaboradores (URL

http://www.abinit.org)

(B) Ecuacion de estado. El codigo GIBBS desarrollado en nuestro laboratorio procesa numerica

y analıticamente puntos calculados energıa-volumen (Ei,Vi), con el objetivo de deducir relaciones

presion-volumen y los parametros de las EOS (modulo de compresibilidad y sus derivados con

respecto a la presion) en condiciones estaticas (temperatura nula y despreciando las contribuciones

vibracionales de punto cero). El codigo tambien utiliza un modelo no-empırico de tipo Debye para

dar cuenta aproximada de las contribuciones termicas. Para unas condiciones determinadas de p

y T , la evaluacion de la funcion de Gibbs permite identificar cual es la fase termodinamicamente

estable. Este codigo tt GIBBS esta en pleno proceso de actualizacion.

Referencia: M. A. Blanco, E. Francisco, y V. Luana, Comput. Phys. Commun. 158, 57 (2004).

(C) Vibraciones cristalinas. En el contexto de la Dinamica de Redes, los modos normales de

vibracion cristalina puede ser obtenidos, mecanica cuanticamente, utilizando dos metodos. En el

primero, el metodo de la supercelda, se llevan a cabo pequenos desplazamientos de los atomos de

sus posiciones de equilibrio con el fin de evaluar las fuerzas que actuan en estas configuraciones

perturbadas. Se llega a un sistema de ecuaciones lineales cuyas incognitas son las constantes de

fuerza. Para los modos fuera del centro de la zona de Brillouin, es necesario disenar superceldas

apropiadas para tener en cuenta la reduccion de la simetrıa traslacional. PHONON es uno de

los codigos que ha puesto en marcha este procedimiento. La segunda vıa, el metodo de respuesta

lineal, evalua las constantes de fuerza de Hellmann-Feynmann, que se encuentran por medio de

desplazamientos atomicos adecuados. Este metodo esta al menos programado en dos codigos que

calculan la energıa en el marco DFT, ABINIT y PWSCF.

Referencias: Quantum-ESPRESSO es un proyecto comun para el desarrollo de software de simulacion

cuantica de alta calidad, basadoe en la teorıa del funcional de la densidad, y coordinado por Paolo

152

Giannozzi. Ver http://www.quantum-espresso.org y http://www.pwscf.org; K. Parlinski, 2002. Software

PHONON (version 4.28) http://wolf.ifj.edu.pl/phonon

(D) Mecanismos de transicion de fase. Hay simulaciones en la llamada aproximacion estatica

que consideran el movimiento simultaneo y cooperativo de todos los atomos desde la fase de par-

tida a la de llegada. Esta es la base de la aproximacion martensıtica al mecanismo de transicion

de fase. Para proponer un camino de transicion es necesario llevar a a cabo un analisis de las

relaciones de simetrıa entre los subgrupos de los grupos a los que pertenecen las dos estructuras

cristalinas involucradas. A partir de ese analisis, se elige un grupo espacial comun y se selecciona

una variable adecuada de la geometrıa de la celda que va a desempenar el papel de parametro o

coordenada de la transformaciono. Se mantiene la periodicidad traslacional y solo esta presente

una fase a lo largo de la trayectoria asociada a la transicion. Para llevar a cabo simulaciones estati-

cas bajo la aproximacion martensıtica, se debe evaluar el perfil de energıa de Gibbs, por medio de

una de las metodologıas de primeros principios de energıa total que hemos se alado previamente,

eligiendo diferentes valores del parametro de la transformacion. Entre los mecanismos competi-

tivos, se espera que el mas probable involucre la barrera de activacion mas baja con la menor

reconstruccion de enlaces. Un enfoque alternativo y mas realista puede llevarse a cabo en el marco

de las tecnicas de la dinamica molecular (MD). Aquı no se imponen restricciones de simetrıa a lo

largo de la transicion, y se pueden investigar los procesos de nucleacion y crecimiento. En general,

las transiciones de fase solido-solido no se producen de manera homogenea, sino que pequenos

embriones de la fase emergente se originan en la matriz de la fase de partida con separaciones

entre ellos de varios tamanos moleculares. Esto define la etapa de nucleacion. Estos embriones

se propagan a expensas de la fase originaria, y el proceso de crecimiento de la transformacion

puede tener lugar en la interfase entre las estructuras original (matriz) y final (embrion). Modelos

fenomenologicos apuntan hacia el papel fundamental que las velocidades de nucleacion y creci-

miento juegan en la cinetica global. Para profundizar en la cinetica de la transicion de fase, hay

que llevar a cabo simulaciones de dinamica molecular. Como punto de partida, vamos a considerar

la dinamica molecular clasica con codigos como DL-POLY. Se utilizaran tambien para estimar

153

errores provenientes de simulaciones ab initio y tambien para estudiar sistemas muy grandes, a

los cuales los metodos ab initio no pueden acceder.

A continuacion, se realizan simulaciones MD estandar de presion constante y celda variable basa-

das en el metodo Parrinello-Rahman con el codigo CPMD. En CPMD, la estructura electronica se

resuelve en el marco de las ecuaciones de Hohenberg-Kohn-Sham de la teorıa del funcional de la

densidad dentro del esquema de ondas plana y pseudopotenciales utilizando la aproximacion del

gradiente generalizado. VASP es otro codigo que pretendemos utilizar y que en parte esta basado

en tecnicas muy similares. El enfoque clasico de Car-Parrinello se extiende despues a otros colec-

tivos distintos del microcanonico, a otros estados electronicos excitados, y a una representacion

totalmente mecanica cuantica de los moviemietos nucleares. Por ultimo, vamos a tratar de resolver

la alguno de problemas que pueden abordarse utilizando dinamica molecular ab initio mediante

la aproximacion basada en la metadinamica implementada en el codigo Quantum-Espresso.

Referencias: M. Parrinello and A. Rahman, Phys.. Rev. Lett. 45, 1196 (1980); R. Car y M. Parrinello,

Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985); R. Martonak, A. Laio y M. Parrinello, Phys. Rev. Lett. 90, 075503

(2003); DL-POLY http://www.cse.scitech.ac.uk/ccg/software/DL-POLY/

(E) Analisis de la funcion de onda. Disponemos de codigos desarrollados en nuestro

laboratorio que tienen por objeto analizar la topologıa de la densidad electronica y de la ELF.

Llevan a cabo tres tareas fundamentales para traducir la informacion contenida en la funcion de

onda cristalina multielectronica en informacion quımica util: (i) localizacion e identificacion de

todos los puntos crıticos de estas dos funciones escalares, (ii) evaluacion de los volumenes y las

poblaciones electronicas de las cuencas, y (iii) visualizacion de resultados en graficos 1-D, 2-D y

3-D. Como un ejemplo ilustrativo, la Fig. 3.4 muestra isosuperficies de la ELF para el oxıgeno y

sus vecinos mas cercanos (arriba) y las cuencas de la densidad electronica del oxıgeno (abajo) a

lo largo del camino de transicion de fase B3-B1 en el oxido de berilio.

Referencias: A. Otero de la Roza, M. A. Blanco, A. Martın Pendas, and V. Luana, Comput. Phys.

154

Figura 3.4: Evolucion de las cuencas de la densidad electronica (abajo) y de la ELF (arriba) a lo

largo del camino de transicion B3 → B1 en el BeO

Commun. 180, 157 (2009); J. Contreras-Garcıa, A. Martın Pendas, B. Silvi, and J. M. Recio, J. Chem.

Theor. Comput. 5, 174 (2009)

3.4.2. Plan de trabajo

Primer ano

Formalismos y tecnicas computacionales (TC)

• Formalizacion de modelos estaticos de mecanismos de transicion de fase solido-solido

• Estudio de modelos fenomenologicos clasicos y extendidos de los procesos de nucleacion

y crecimiento en las transformaciones de fase en el estado solido

155

• Configuracion de tecnicas de dinamica molecular para el diseno de mecanismos de

transicion de fase

• Desarrollo de una interfaz de nuestro codigo topologico de la ELF con el codigo comer-

cial CRYSTAL06

• Implementacion de un modulo de calculo que evalue propiedades termodinamicas de

los solidos a temperatura finita

Modelos avanzados (MA)

• Revision del bond charge model a la luz del formalismo de la ELF

• Interpretacion del comportamiento superconductor de materiales moleculares a la luz

del formalismo de la ELF

Simulaciones computacionales (SC)

• Calculo de la compresibilidad de las fases solidas de los elementos de la tabla periodica

• Simulaciones estatica y de dinamica molecular de transiciones de fase en compuestos

prototipo ionicos, covalentes, metalicos y cristales moleculares (haluros alcalinos, car-

bono, sılice, calcio, oxıgeno, circon, ZnO, TiO2, etc)

Segundo ano


• Revision y finalizacion de las tareas del primer ano en este apartado

• Desarrollo de una herramienta numerica general basada en MATLAB para evaluar des-

plazamientos atomicos y el tensor de deformaciones a lo largo de caminos de transicion

156


• Modelo de estabilidad de fases bajo la ecuacion de estado microscopica de tipo spinodal

• Modelos interpretativos de transiciones de fase homogeneas y heterogeneas con impli-

caciones sobre la estabilidad de nanopartıculas


• Base de datos con los modos de vibracion calculados en el centro de la zona de Brillouin

a presion nula para un conjunto de compuestos con interes geofısico y geoquımico:

MgSiO3, FeSiO3, Al2O3, MgO, FeO, CaSiO3, SiO2, MgAl2O4, NaAlSiO4, KAlSi3O8,

NaAlSi3O8, CaAl4Si2O11, δ-AlOOH, CaCO3, MgCO3, etc.




• Analisis topologico de la densidad electronica y de la ELF en metales alcalinos y

alcalino-terreos

Interpretacion de resultados, preparacion de comunicaciones en conferencias in-

ternacionales, escritura y revision de publicaciones

Tercer ano


• Formalizacion de la LCA y su implicacion en el formalismo fenomenologico de nuclea-

cion y crecimiento y en la estabilidad de nanopartıculas

157


• Modelos interpretativos de transiciones de fase homogeneas y heterogeneas con impli-

caciones sobre la estabilidad de nanopartıculas

• Modelos de EOS para los metales bajo condiciones extremas a la luz de los formalismos

AIM (de Atoms in Molecules) y de la ELF

• Correlaciones entre los parametros de los formalismos fenomenologicos de nucleacion y

crecimiento y propiedades microscopicas





• Analisis topologico de la densidad electronica y de la ELF en metales alcalinos y

alcalino-terreos

Interpretacion de resultados, preparacion de comunicaciones en conferencias in-

ternacionales, escritura y revision de publicaciones

158

Investigador Tareas

Jose Manuel Recio Muniz Direccion del proyecto; diseno de la investigacion;

modelo nucleacion y crecimiento; modelo charge-bond,

modelo superconductividad; modelos de transicion de fase;

correlaciones EOS-transicion de fase

escitura y revision de artıculos;

Manuel Florez Alonso modelos estaticos de transicion de fase; modelo nucleacion y

crecimiento; TC: temperatura y caminos de transicion;

modelo microscopico de la EOS spinodal

correlaciones EOS-transicion de fase; interpretacion de

resultado; sescritura y revision de artıculos

Ruth Franco Alvarez-Urıa TC: temperatura; simulaciones computacionales:

base de datos vibracional; comprensibilidad de elementos;

transiciones de fase estaticas; base de datos vibracionales;

interpretacion de resultados; escritura y revision de artıculos

Miguel Angel Salvado Sanchez modelos estaticos de transiciones de fase; TC: caminos de transicion;

modelos avanzados de transiciones de fase;

SC: transiciones de fase estaticas y base de datos vibracional;

experimentos de difraccion de rayos X;


Tabla 3.2: Plan de trabajo: distribucion de tareas entre los participantes del grupo de investigacion

159

Investigador Tareas

Pilar Pertierra Castro modelo estatico de transiciones de fase; TC: caminos de transicion;

SC: transiciones de fase estaticas y base de datos vibracional;

experimentos de difraccion de rayos X;


Julia Contreras Garcıa TC: ELF; modelo charge model; modelo superconductividad;

modelo microscopico de la EOS spinodal; modelo de EOS para metales;

SC: compresibilidad de elementos;


Jose Manuel Menendez Montes TC: ELF; modelos de EOS para metales; SC: compresibilidad de elementos;

dinamica molecular; dinamica de transiciones de fases;


David Abbasi Perez TC: dinamica molecular, temperatura; SC: dinamica molecular de

transiciones de fase; base de datos vibracional;

escritura preliminar de artıculos

Miriam Marques Arias TC: dinamica molecular; modelo superconductividad, EOS para metales;

SC: dinamica molecular de transiciones de fase;


Tabla 3.3: Plan de trabajo (continuacion)

160

CRONOGRAMA: TEMPORALIZACION Y ASIGNACION DE TAREAS

Tarea Responsables Ano I Ano II Ano III

Modelos estaticos de transiciones de fase

M. Florez xxxxxx

P. Pertiera xxxxxx

M.A. Salvado xxxxxx

Modelos de nucleacion y crecimientoM. Florez xxxxxx

J.M. Recio xxxxxx

TC: Dinamica molecularM. Marques xxxxxx

D. Abbasi xxxxxx

TC: ELFJ. Contreras xxxxxx

J.M. Menendez xxxxxx

TC: Temperatura

M. Florez xxxxxx xxxxxx

R. Franco xxxxxx xxxxxx

D. Abbasi xxxxxx xxxxxx

TC: Caminos de transicion

M. Florez xxxxxx

M.A. Salvado xxxxxx

P. Pertiera xxxxxx

MA: Bond charge modelJ. Contreras xxxxxx

J.M. Recio xxxxxx

MA: Superconductividad

J. Contreras xxxxxx

M. Marques xxxxxx

J.M. Recio xxxxxx

MA: Ecuaciones de estadoM. Florez xxxxxx

J. Contreras xxxxxx

161

Tarea Responsables Ano I Ano II Ano III

MA: Transiciones de fase

M. Florez xxxxxx xxxxxx

J.M. Recio xxxxxx xxxxxx

M.A. Salvado xxxxxx xxxxxx

MA: Ecuaciones de estado en metales

M. Marques xxxxxx

J. Contreras xxxxxx


MA: correlaciones en las transiciones de faseJ.M. Recio xxxxxx

M. Florez xxxxxx

SC: Compresibilidades

J. Contreras xxxxxx

R. Franco xxxxxx


SC: Transiciones de fase estaticas

P. Pertiera xxxxxx xxxxxx xxxxxx

R. Franco xxxxxx xxxxxx xxxxxx

M.A. Salvado xxxxxx xxxxxx xxxxxx

SC: Transiciones de fase dinamicas

M. Marques xxxxxx xxxxxx xxxxxx

J.M. Menendez xxxxxx xxxxxx xxxxxx

D. Abbasi xxxxxx xxxxxx xxxxxx

SC: Vibraciones

R. Franco xxxxxx

P. Pertiera xxxxxx

M.A. Salvado xxxxxx

Interpretacion de resultados todos xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Publicacion y difusion de resultados todos xxxxxx xxxxxx

Supervision del proyecto J.M. Recio xxxxxx xxxxxx xxxxxx

162

3.5. Beneficios del proyecto, difusion y explotacion de re-

sultados

Las principales contribuciones resultantes de este proyecto se han ido desglosando a lo largo de

otras secciones de este capıtulo, por lo que brevemente se indicaran aquı los beneficios cientıficos

esperados, junto con las vıas de difusion de los resultados previstos. Se trata de un proyecto de

investigacion fundamental no orientada por lo que no se preve un inmediato traslado de nuestros

resultados a aplicaciones tecnologicas. Estas pueden producirse en el corto/medio plazo. Pense-

mos, por ejemplo, que las transiciones de fase son utilizadas como puntos fijos en muchas escalas

practicas internacionales, y, por tanto, una mejor comprension de las transiciones producidas a alta

presion / alta temperatura beneficiara la propuesta y precision de estas escalas. Hemos ilustrado

tambien como la colaboracion de nuestro grupo con el del grupo experimental del Prof. Gerward

ha conducido a la sıntesis y caracterizacion de una fase de alta dureza del Si3N4 de interes en la

industria ceramica y de materiales abrasivos. Nuestro proyecto produce conocimiento fundamental

tanto sobre rutas de diseno como sobre relaciones propiedades-estructura de nuevos materiales.

Atendiendo al progreso en el conocimiento global de nuetra lınea de investigacion, esta claro que la

vision quımica que este proyecto pretende dotar a la fısica del estado solido contribuye a ampliar

la comunidad de cientiıficos que pueden acceder a un mejor entendimiento de la respuesta de los

materiales a los efectos de las altas presiones. Esto puede tener consecuencias en los campos de

estudio de los diferentes grupos que sintonizan con nuestras aprotaciones. Nuestras interacciones

con los grupos experimentales y con otros teoricos (y las citas a nuestros trabajos, mas de 150

anuales en los ultimos anos) sirven de ejemplo y argumento para anticipar que los resultados de

nuestro proyecto produciran efectos beneficiosos en las investigaciones de grupos afines.

Desde un punto de vista puramente de difusion cientıfica, los resultados obtenidos en el proyecto

propuesto seran esencialmente divulgados a traves de los canales habituales siguientes:

163

Publicacion de artıculos cientıficos en revistas internacionales. Debido a la evolucion de

nuestro grupo y el campo donde se desarrollara nuestro trabajo, las publicaciones apropiadas

para presentar nuestros resultados son (se incluyen los factores de impacto de los ultimos

anos): Journal of Chemical Physics (3.04), Journal of Physical Chemistry A (3,05) y B (4.11),

Journal of American Chemical Society (7,89), Inorganic Chemistry (3,91), Physical Review

B (3.11), Physical Review Letters (6,94), Journal of Physics: Condensed Matter (2.04),

High Pressure Research (1.23), Solid State Communications (1,54), Chemical Physics Letters

(2,46), Journal of Chemical Theory and Computation (4.31), Journal of Computational

Chemistry (4,30)

Presentacion de comunicaciones orales y posters en congresos internacionales, al menos en los

de la AIRAPT y EHPRG: EHPRG XLIX EHPRG-Budapest (Hungrıa) en 2011, AIRAPT

XXIII en 2011

Parte de la investigacion propuesta se incluira en la Tesis de Doctorado de David Abbasi

Perez, becario pre-doctoral que participa en este proyecto. Hay que resaltar que la Dra.

Miriam Marques, integrante del proyecto, solicita una beca postdoctoral dentro del Programa

Clarin del Principado de Asturias con el respaldo del presente proyecto de investigacion

Participacion en las iniciativas de alta presion de la comunidad espanola. En particular, en

la V Alta Presion Escuela que se celebrara en la Universidad de La Laguna en 2011.

164

3.6. Antecedentes del grupo

En este proyecto, se proponen avances sustanciales en el estudio de procesos homogeneos y he-

terogeneos en solidos cristalinos sometidos a condiciones de alta presion. Hemos indicado en las

paginas precedentes que se continuaran desarrollando tareas investigadoras en lınea con los pro-

yectos en marcha (1-6), y se abordaran ası mismo nuevos temas fundamentales, en los que el grupo

de investigacion tiene tambien experiencia consolidadad (7-13).

1. Cation distributions on CoAl2O4 and Co2AlO4 spinels: pressure and temperature effects. R.

Franco, F. Tielens, M. Calatayud, J. M. Recio. High Press. Res. 28, 521 (2008).

2. Periodic DFT study of the structural and electronic properties of bulk CoAl2O4 spinel. F.

Tielens, M. Calatayud, R. Franco, J. M. Recio, J. Perez-Ramırez, C. Minot. J. Phys. Chem.

B 110, 988 (2006).

3. Bases for understanding polymerization under pressure: the practical case of CO2. J. Contreras-

Garcıa, A. Martın Pendas, B. Silvi, J. M. Recio. J. Phys. Chem. B 113, 1068 (2008).

4. On the mechanism of the zircon-reidite pressure induced transformation. M. Marques, J.

Contreras-Garcıa, M. Florez, J.M. Recio. J. Phys. Chem. Solids 69,77 (2008).

5. How electron localization function quantifies and pictures chemical changes in a solid: The

B3-B1 pressure induced phase transition in BeO. J. Contreras-Garcıa, A Martın Pendas, J.

M. Recio. J. Phys. Chem. B 112, 9787 (2008).

6. Computation of local and global properties of the electron localization function topology in

crystals. J. Contreras-Garcıa, A Martın Pendas, J. M. Recio, B. Silvi. J. Chem. Theory

Comput. 5, 164 (2009).

7. Local compressibilities in crystals. A. Martın Pendas, A. Costales, M. A. Blanco, J. M. Recio,

V. Luana. Phys. Rev. B 62, 13970 (2000).

165

8. First-principles study of the rocksalt-cesium chloride relative phase stability in alkali halides.

M. Florez, J. M. Recio, E. Francisco, M. A. Blanco, A. Martın Pendas, Phys. Rev. B 66,

144112 (2002).

9. Role of polarization effects in the prediction of an orthorhombic pressure-induced phase in

alkali halides. M. Marques, M. Florez, M. A. Blanco, J. M. Recio. Phys. Rev. B 68, 014110

(2003).

10. Pressure effects on the structure and vibrations of β- and γ-C3N4. M. Marques, J. Osorio,

R. Ahuja, M. Florez, and J. M. Recio. Phys. Rev. B 70, 104114 (2004).

11. Structure, metastability, and electron density of Al lattices in light of the model of anions in

metallic matrices. M. Marques, M. Florez, J. M. Recio, D. Santamarıa-Perez, A. Vegas, V.

G. Baonza. J. Phys. Chem. B 110, 8609-18618 (2006).

12. Theoretical study of P2O5 polymorphs at high pressure: hexacoordinated phosphorus. M. A.

Salvado, P. Pertierra, Inorg. Chem. 47, 4884 (2008).

13. Universal compressibility behaviour of ions in ionic crystals. M. Taravillo, E. del Corro, J.

Contreras-Garcıa, A. Martın Pendas, M. Florez, J. M. Recio, V. G. Baonza. High Press. Res.

29, 97 (2009).

Nos gustarıa senalar que dos miembros de nuestro grupo tienen tambien experiencia en la deter-

minacion estructural de fases cristalinas por difraccion de rayos X y difraccion de neutrones, tanto

en el laboratorio como en grandes instalaciones (ESRF, ILL). Este hecho es de especial impor-

tancia para la propuesta de este tipo de experimentos en casos de interes durante el desarrollo

del proyecto. Este trabajo de los dos investigadores se ha reflejado, entre otros, en las siguientes

publicaciones:

Hydrogen bond network of the layered phosphates (Zr(H2PO4)(PO4).2H2O and

(Hf(H2PO4)(PO4).2H2O determined by neutron powder diffraction. M. A. Salvado, P. Per-

166

Tıtulo del Proyecto Investigador Principal Presupuesto Finaciacion Periodo de

(mil euros) ejecucion

Termodinamica y cinetica de transiciones de fase

en materiales cristalinos: Modelos avanzados y

simulaciones computacionales Jose Manuel Recio Muniz 79.860 MICINN 2010-2012

Quımica a Alta Presion - QUIMAPRES Valentın Garcıa Baonza 900.000 CAM 2009-2012

Matter at High Pressure - MALTA Valentın Garcıa Baonza 5166.000 MICINN 2008-2012

Altas presiones: determinacion de parametros

espectroscopicos y termodinamicos Valentın Garcıa Baonza 38.000 BSCH-UCM 2009-2010

Interpretacion microscopica del comportamiento

a alta presion de cristales moleculares Jose Manuel Recio Muniz 76.230 MEC 2007-2009

Desarrollo de gaskets metalicos para

experimentos con celdas de diamante Valentın Garcıa Baonza 6.909 CAM-UCM 2008

Desarrollo de prototipos experimentales de alta

presion para su utilizacion en espectrofotometros

de luminiscencia convencionales Valentın Garcıa Baonza 11.350 CAM-UCM 2007

167

Tıtulo del Proyecto Investigador Principal Presupuesto Finaciacion Periodo

(mil euros) ejecucion

Alta presion: determinacion de parametros

espectroscopicos y termodinamicos Valentın Garcıa Baonza 12.700 CAM-UCM 2006

Aplicacion de tecnicas de alta presion para

el diseno de nuevos materiales Valentın Garcıa Baonza 25.300 CAM 2005

An electron density approach to understand

high pressure phenomena Jose Manuel Recio Muniz 3.121 HPC-EUROPE 2005

Modelizacion microscopica de materiales: desarrollo

y aplicacion de metodos teoricos y computacionales

para el estudio de moleculas, microagregados y solidos Vıctor Luana Cabal 142.945 DGICYT 2004-2006

Nuevos desarrollos metodologicos para el estudio

de propiedades moleculares por metodos de difraccion Santiago Garcıa Granda 163.950 MCYT 2004-2006

Sıntesis de nuevos nanomateriales: evaluacion

de su potencial impacto como catalizadores,

pigmentos ceramicos, fertilizantes, sitemas magneticos

y conductores ionicos J. Ruben Garcıa Menendez 126.350 MCYT 2004-2006

168

tierra, S. Garcıa-Granda, L. M. Barcina, R. Llavona, J. Rodrıguez. Z. Kristaogr. 216, 326

(2001).

New hydrothermal synthesis and structure of Th2(PO4)2(HPO4).H2O: the first structurally

characterized thorium hydrogenphosphate. M. A. Salvado, P. Pertierra, A. Bortun, C. Tro-

bajo, J. R. Garcıa. Inorg. Chem. 44, 3512 (2005).

The first structure of a Cerium(IV) bis(phosphate) derivative. M. A. Salvado, P. Pertierra,

C. Trobajo, J. R. Garcıa. J. Am. Chem. Soc., 129, 10970 (2007).

Synthesis and crystal structure of thorium bis(hydrogenphosphate) monohydrate. M. A. Sal-

vado, P. Pertierra, G. R. Castro, C. Trobajo, J. R. Garcıa. Inorg. Chem. 47, 1246 (2008).

En las Tablas anteriores aparece la relacion de proyectos subvencionados con fondos publicos, en

los ultimos diez anos, en los que han participado miembros integrantes del grupo que avala el

presente proyecto.

169

3.7. Capacidad de formacion del proyecto y del grupo

La capacidad formativa del grupo en el area investigadora esta avalada entre otros factores por

las siguientes Tesis Doctorales dirigidas en los ultimos 10 anos por miembros del grupo:

1. Calculos no empıricos de la estructura electronica, propiedades cohesivas y termodinami-

cas de oxidos ceramicos de magnesio y aluminio. Ruth Franco Alvarez-Urıa (Sobresaliente

cum laude). Directores: Lorenzo Pueyo Casaus y Jose Manuel Recio Muniz. Universidad:

Universidad de Oviedo. Facultad / Escuela: Quımica. Fecha: Marzo de 1999

2. Determinacion estructural por metodos de difraccion de polvo de nuevos silicatos con metales

en coordinacion octaedrica. Pilar Pertierra Castro (Sobresaliente cum laude) Directores: San-

tiago Garcıa Granda y Miguel Angel Salvado Sanchez Universidad: Universidad de Oviedo

Facultad / Escuela: Quımica Fecha: 03 de noviembre 2000

3. Solidos a alta presion. Modelos interpretativos y simulaciones mecanico-cuanticas. Miriam

Marques Arias (Sobresaliente cum laude, Premio Extraordinario) Director: Jose Manuel

Recio Muniz Universidad: Universidad de Oviedo Facultad / Escuela: Quımica Fecha: 21

de febrero 2006

4. Chemical Bonding in crystalline solids. Julia Contreras Garcıa (Sobresaliente cum laude,

Premio Extraordinario, Mencion Europea) Director: Jose Manuel Recio Muniz Universidad:

Universidad de Oviedo Facultad / Escuela: Quımica Fecha: 19 de diciembre 2008

5. Calculo de fonones en solidos: efectos termicos y espectros de vibracion en cristales (en desa-

rrollo). David Perez Abbasi Directores: Jose Manuel Recio Muniz y Manuel Florez Alonso

Universidad: Universidad de Oviedo Facultad / Escuela: Quımica Fecha de inicio: 01 de

septiembre 2008

Ademas, el investigador principal de este proyecto ha dirigido 2 Tesis de Licenciatura, 4 Seminarios

de Investigacion y 1 Tesis de Master.

170

3.8. Referencias

[1] J. H. Rose, J. Ferrante, and J. R. Smith, Phys. Rev. Lett. 47, 675 (1981)

[2] I. H. Kim, R. Jeanloz, and K. s. Jhung, Science 260, 649 (1993)

[3] J. M. Recio, A. Martın Pendas, E. Francisco, M. Florez, and V. Luana, Low- and high-pressure ab

initio equations of state for the alkali chlorides, Phys. Rev. B 48, 5891 (1993)

[4] V. G. Baonza, M. Taravillo, M. Caceres and J. Nunez, Universal features of the equation of state of

solids from a pseudospinodal hypothesis, Phys. Rev. B 53, 5252 (1996)

[5] Julia Contreras-Garcıa. PhD. Thesis. Chemical bonding in crystalline solids. Implementation and

development of the topological analysis of ELF in the solid state. Facultad de Quımicas. Universidad de

Oviedo (2008)

[6] A. Otero de la Roza, M. A. Blanco, A. Martın Pendas, and V. Luana. Critic: a new program for the

topological analysis of solid-state electron densities. Comput. Phys. Commun. 180, 157 (2009)

[7] R. M. Hazen and L. W. Finger, Comparative Crystal Chemistry: Temperature, Pressure, Composition

and the Variation of Crystal Structure. London: J. Wiley & Sons, 1982

[8] A. M. Pendas, A. Costales, M. Blanco, J. M. Recio, and V. Luana, Local compressibilities in crystals,

Phys. Rev. B 62, 13970 (2000)

[9] M. Taravillo, E. del Corro, J. Contreras-Garcıa, A. M. Pendas, M. Florez, J. M. Recio, and V. G.

Baonza. Universal compressibility behaviour of ions in ionic crystals. High Press. Res. 29, 97 (2009)

[10] A. Martın Pendas, J. M. Recio, E. Francisco, and V. Luana. Universal-binding-energy relations across

the rock-salt-cesium chloride phase transition in alkali halides. Phys. Rev. B 56, 3010 (1997)

[11] O. L. Anderson, Equations of state for solids in geophysics and ceramic science, Oxford Monographs

on Geology and Geophysics, v. 31, (1995)

[12] I. L. Spain and J. Paauwe. High Pressure Technology: Equipment Design, Materials, and Properties,

Marcel Dekker, (1977)

[13] V. G. Baonza, M. Taravillo, M. Caceres, and J. Nunez, Extension of the Szigeti equtions: average

longitudinal-transverse frequencies and effective charges. Phys. Rev. B. 73, 214117-1-214117-6 (2006)

[14] See literature by Robert Hazen and others in http://hazen.gl.ciw.edu/publications/crystallography

[15] J. Gerratt, D. L. Cooper, P. B. Karadakov, and M. Raimondi, Modern Valence Bond Theory, Chem.

171

Soc. Rev. 26, 87 (1997)

[16] I. D. Brown, P. Klages and A. Skowron. Influence of pressure on the lengths of chemical bonds. Acta

Cryst. B 59, 439 (2003)

[17] R. J. Angel, J. Zhao, and N. L. Ross. General rules for predicting phase transitions in perovskites

due to octahedral tilting. Phys. Rev. Lett. 95, 025503 (2005)

[18] J. Contreras-Garcıa, A. Martın Pendas, B. Silvi, and J. M. Recio, Bases for understanding polyme-

rization under pressure: the practical case of CO2. J. Phys. Chem B, 113, 1068 (2009)

[19] E. Francisco, M. Bermejo, V. G. Baonza, L. Gerward, and J. M. Recio, Spinodal equation of state

for rutile TiO2. Phys. Rev. B 67, 064110 (2003)

[20] Z.-H. Jin, P. Gumbsch, K. Lu, and E. Ma. Melting mechanisms at the limit of superheating., Phys.

Rev. Lett. 87, 055703 (2001)

[21] R. Boehler. Temperatures in the Earth’s core from melting-point measurements of iron at high static

pressures, Nature 363, 534 (1993)

[22] G. Demazeau. High pressure and chemical bonding in materials chemistry. Z. Naturforsch. B: Chem.

Sci. 61, 799 (2006)

[23] http://www.rsc.org/Publishing/ChemScience/Volume/2007/10/Roald Hoffmann interview.asp

[24] W. Grochala, R. Hoffmann, J. Feng, and N. W. Ashcroft. The Chemical Imagination at Work in

Very Tight Places. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 3620 (2007)

[25] W. Yang and R. G. Parr. Hardness, softness, and the Fukui function in the electronic theory of metals

and catalysis. PNAS 82, 6723 (1985)

[26] S. H. Tolbert and A. P. Alivisatos. High-Pressure Structural Transformations in Semiconductor

Nanocrystals. Annu. Rev. Phys. Chem. 46, 595 (1995)

[27] M. Florez, M. Marques, J. Contreras-Garcıa, and J. M. Recio. Quantum-mechanics calculations of

zircon to reidite transition pathways in ZrSiO4. Phys. Rev. B, 79, 104101 (2009)

172

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