Información general del curso

Objetivos del curso

El objetivo de la asignatura es dar a los estudiantes una visión moderna de la forma en que las variables termoquímicas de interés en ingeniería química, química atmosférica u otras áreas, pueden ser determinadas con exactitud razonable mediante métodos físico-matemáticos computacionales que tienen en cuenta la estructura molecular de los compuestos químicos. El curso consiste en una introducción general al tema, una introducción básica a los principios de la Termodinámica Estadística y una descripción de los métodos empíricos, semiempíricos y exactos que pueden emplearse para el cálculo de calores de formación o reacción, y otras magnitudes termoquímicas y cinéticas.

Conocimientos previos requeridos

Se requieren conocimientos de primer nivel de Fisicoquímica General y Fisicoquímica Molecular. Es conveniente que los estudiantes hayan hecho el curso de Fisicoquímica Molecular Básica o el de Modelado Molecular.

Estructura del curso

Duración: 16 semanas incluyendo dos semanas de evaluaciones
Carga horaria: 2 horas de teórico (14 semanas) + 2 horas de práctico (12 semanas)
Créditos: 8 créditos
Semestre: Par
Evaluación: Mix de problemas y preguntas (eventualmente múltiple opción)

Programa Analítico

1. Introducción a la Termoquímica Computacional

2. Repaso de conceptos previos
   Mecánica Clásica,Lagrange y Hamilton. Repaso Probabilidad. Repaso Termodinámica

3. Termodinámica Estadística
   Mecánica Estadística de Equilibrio (ensembles, función de partición). Gas Ideal Clásico y Cuántico. Gases Reales y Líquidos. Hidrodinámica y coeficientes de transporte

4. Métodos Basados Sólo en la Estructura Molecular
   Aditividad de Grupos de Benson; Aplicaciones: estimación de entalpías de disolución, estimación de entalpías y entropías de cambio de fase. Modelo electrostático-covalente; Mecánica molecular

5. Métodos Basados en la Determinación de la Estructura Electrónica
   Métodos semimpíricos para la evaluación de calores de formación. Métodos ab initio y métodos de funcionales de la densidad. Correcciones de aditividad de enlace. Calibración. Reacciones isodésmicas. Cancelación de errores. Modelado de energía libre de solvatación y de transferencia.

6. Aplicaciones
   Diseño de procesos a nivel industrial en compañías químicas. Modelado cinético de halocarbonados (química atmosférica). Entalpias de formación y reacción.

7. Repaso de Conceptos de Cinética Química
   Naturaleza de las reacciones químicas. Velocidad de reacción. Determinación experimental. Ecuaciones dinámicas. Equilibrio químico. Coeficiente de velocidada de reacciòn, orden y molecularidad. Vida media. Orden de reacción. Métodos experimentales en cinética química.

8. Efecto de la Temperatura en las Reacciones Químicas
   Derivación de la ecuación de Arrhenius. Determinación experimental de la energía de activación y el factor de Arrrhenius. Superficies de energía potencial. Significado de la energía de activación.

9. Reacciones Complejas
   Reacciones reversibles. Reacciones en paralelo. Reacciones consecutivas. Estado estacionario. Reacciones en cadena.

10. Teorías de la Velocidad de Reacción
    Equilibrio y velocidad de reacción. Equilibrio desde el punto de vista de la termodinámica estadística. Uso de las funciones de partición. Complejo activado. Teoría de colisiones. Teoría del estado de transición. Reacciones unimoleculares. Mecanismos de Lindemann y Hindelwood. RRK, Marcus y RRKM. Control termodinámico y cinético. Postulado de Hammond.

11. Cinética Química Computacional
    Programas y estrategias para el cálculo de velocidad de reacción. Teoría variacional del estado de transición. Master equation. Prograa Polyrate. Programa Multiwell. Programa...

12. Aplicaciones
    Química atmosférica. Combustión. Contaminación.

Bibliografía útil

Estos libros sirven para profundizar ideas o para cubrir material que no se ve en el curso.

1. Computational Thermochemistry. Prediction and Estimation of Molecular Thermodynamics
   K. K. Irikura & D. J. Frurip (Eds), Prediction and Estimation of Molecular Thermodynamics, ACS, Symp. Series 677, ACS, Washington DC, 1998.

2. Statistical Mechanics, from first principles to macroscopic phenomena
   J. Woods Halley, CUP, Cambridge, UK, 2007

3. Statistical Mechanics
   K. Huang, John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2007

4. A modern course in Statitiscal Mechanics
   L.E. Reichl, John Wiley & Sons, Chichester, UK, 1998

5. Statistical Mechanics,a concise introduction to chemists
   B. Widom, CUP, Cambridge, UK, 2002

6. Kinetics of chemical reactions: decoding complexity
   Constales, D., I︠A︡blonskiĭ, Grigoriĭ Semenovich, Marin, Guy B (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, 2019)

7. Theories of Molecular Reaction Dynamics: The Microscopic Foundation of Chemical Kinetics
   Niels E. Henriksen, Flemming Y. Hansen, (Oxford Graduate Texts, 2008)

8. Multiwell Program Suite
   J. R. Barker, T. L. Nguyen, J. F. Stanton, C. Aieta, M. Ceotto, F. Gabas, T. J. D. Kumar, C. G. L. Li, L. L. Lohr, A. Maranzana, N. F. Ortiz, J. M. Preses, J. M. Simmie, J. A. Sonk, and P. J. Stimac
   https://clasp-research.engin.umich.edu/multiwell/?url=multiwell/

9. Polyrate 17-C: Computer Program for the Calculation of Chemical Reaction Rates for Polyatomics
   Jingjing Zheng, Junwei Lucas Bao, Rubén Meana-Pañeda, Shuxia Zhang, Benjamin J. Lynch, José C. Corchado, Yao-Yuan Chuang, Patton L. Fast, Wei-Ping Hu, Yi-Ping Liu, Gillian C. Lynch, Kiet A. Nguyen, Charles F. Jackels, Antonio Fernandez Ramos, Benjamin A. Ellingson, Vasilios S. Melissas, Jordi Villà, Ivan Rossi, Elena. L. Coitiño, Jingzhi Pu, Titus V. Albu
   https://comp.chem.umn.edu/polyrate/