Teoría de orbitales moleculares

La teoría de los orbitales moleculares es una teoría de enlaces químicos desarrollada a principios del siglo XX por FR Hund y RS Mulliken para explicar la estructura y las propiedades de varias moléculas. La teoría del enlace de valencia no pudo explicar adecuadamente cómo ciertas moléculas, como las moléculas estabilizadas por resonancia, contienen dos o más enlaces equivalentes con órdenes de enlace que se encuentran entre el de un enlace simple y el de un enlace doble. Aquí es donde la teoría de los orbitales moleculares superó a la teoría del enlace de valencia (dado que los orbitales descritos por la MOT reflejan las geometrías de las moléculas a las que se aplica).

Teoría de orbitales moleculares

En pocas palabras, la teoría de los orbitales moleculares establece que cada átomo tiende a combinarse y formar orbitales moleculares. Como resultado de esta disposición, los electrones se pueden encontrar en una variedad de orbitales atómicos y normalmente se asocian con varios núcleos. En pocas palabras, un electrón en una molécula se puede encontrar en cualquier lugar dentro de la molécula.

La teoría de los orbitales moleculares ofreció una nueva forma de entender el proceso de enlace después de su formulación, que fue uno de sus impactos más significativos. Según esta teoría, los orbitales moleculares se consideran esencialmente combinaciones lineales de orbitales atómicos. Luego se realizan aproximaciones a la ecuación de Schrödinger utilizando los modelos de teoría funcional de densidad o de Hartree-Fock.

Características de la teoría de orbitales moleculares

• Los orbitales atómicos se superponen para formar nuevos orbitales conocidos como orbitales moleculares. Cuando dos orbitales atómicos chocan, pierden su identidad y se fusionan para formar nuevos orbitales conocidos como orbitales moleculares.
• De manera similar a cómo los electrones en un átomo se llenan en un estado de energía llamado orbitales atómicos, los electrones en las moléculas se llenan en nuevos estados de energía llamados orbitales moleculares.
• El orbital molecular expresa la probabilidad de encontrar la distribución electrónica en una molécula alrededor de su grupo de núcleos.
• Los dos orbitales atómicos que se combinan deben tener energías y orientaciones comparables. Los 1, por ejemplo, pueden combinarse con otros 1 pero no con 2.
• El número de orbitales moleculares formados es igual al número de orbitales atómicos combinados.
• La forma de los orbitales moleculares formados está determinada por la forma de los orbitales atómicos que se combinan.

Combinación Lineal de Orbitales Atómicos

Se puede usar una combinación lineal de orbitales atómicos para expresar orbitales moleculares. Estos LCAO se pueden utilizar para predecir la formación de estos orbitales en el enlace entre los átomos que forman una molécula. La ecuación de Schrödinger que se usa para describir el comportamiento de los electrones en los orbitales moleculares se puede escribir de manera similar a la que se usa para describir el comportamiento de los electrones en los orbitales atómicos. 

Es una forma aproximada de representar los orbitales moleculares. Es más un método de superposición en el que la interferencia constructiva de dos funciones de onda atómica da como resultado un orbital molecular enlazante y la interferencia destructiva da como resultado un orbital molecular no enlazante.

Condiciones para Combinación Lineal de Orbitales Atómicos

1. La misma energía de combinar orbitales: los niveles de energía de los orbitales atómicos que se combinan para formar orbitales moleculares deben ser comparables. Esto significa que el orbital 2p de un átomo puede combinarse con el orbital 2p de otro átomo, pero 1s y 2p no pueden combinarse porque tienen una diferencia de energía significativa.
2. Misma simetría sobre el eje molecular: para una combinación adecuada, los átomos que se combinan deben tener la misma simetría alrededor del eje molecular; de lo contrario, la densidad de electrones será escasa. Por ejemplo, todos los suborbitales de 2p tienen la misma energía, pero un orbital 2pz de un átomo solo puede combinarse con el orbital 2pz de otro átomo y no puede combinarse con los orbitales 2px y 2py porque tienen un eje de simetría diferente. El eje z se considera generalmente como el eje de simetría molecular.
3. Superposición adecuada entre orbitales atómicos: si la superposición es suficiente, los dos orbitales atómicos se combinarán para formar un orbital molecular. Cuanto mayor sea el grado de superposición de orbitales, mayor será la densidad nuclear entre los núcleos de los dos átomos. Dos requisitos simples pueden ayudarlo a comprender la condición. Se requiere energía y orientación adecuadas para la formación de orbitales moleculares adecuados. Los dos orbitales atómicos deben tener la misma energía para obtener la energía adecuada, y los orbitales atómicos deben tener una superposición adecuada y el mismo eje molecular de simetría para una orientación adecuada.

orbitales moleculares

La función orbital molecular se puede utilizar para calcular el espacio en una molécula donde la probabilidad de encontrar un electrón es mayor. Los orbitales moleculares son funciones matemáticas que describen la naturaleza ondulatoria de los electrones en una molécula en particular. 

Estos orbitales se pueden construir combinando orbitales hibridados de orbitales atómicos de cada átomo en la molécula. Los orbitales moleculares proporcionan un gran modelo para demostrar la unión de moléculas a través de la teoría de orbitales moleculares.

Tipos de orbitales moleculares

Según la teoría de los orbitales moleculares, algunos tipos de orbitales moleculares están formados por la combinación lineal de orbitales atómicos. Estos orbitales se describen con más detalle a continuación.

• Orbitales moleculares antienlazantes: en los orbitales moleculares antienlazantes, la densidad de electrones se concentra detrás de los núcleos de los dos átomos enlazantes. Como resultado, los núcleos de los dos átomos se separan. Estos orbitales erosionan el enlace entre dos átomos.
• Orbitales moleculares no enlazantes: en el caso de los orbitales moleculares no enlazantes, los orbitales moleculares creados no tienen interacciones positivas o negativas entre sí debido a una falta total de simetría en la compatibilidad de dos orbitales atómicos enlazantes. Estos orbitales no tienen ningún efecto sobre el enlace entre los dos átomos.

Características de los orbitales moleculares de enlace

1. La probabilidad de encontrar el electrón en la región internuclear del orbital molecular enlazante es mayor que la de combinar orbitales atómicos.
2. Los electrones en el orbital molecular de enlace hacen que los dos átomos se atraigan entre sí.
3. Debido a la atracción, el orbital molecular enlazante tiene menor energía y, por lo tanto, mayor estabilidad que los orbitales atómicos combinados.
4. Se forman como resultado del efecto aditivo de los orbitales atómicos.

Características de los orbitales moleculares antienlazantes

1. En los orbitales moleculares de antienlace, la probabilidad de encontrar un electrón en la región internuclear disminuye.
2. Los electrones en el orbital molecular antienlazante hacen que los dos átomos se repelan entre sí.
3. Debido a las fuerzas repulsivas, los orbitales moleculares de antienlace tienen más energía y menos estabilidad.
4. Se forman por el efecto sustractivo de los orbitales atómicos.

Orbitales antienlazantes y alta energía: Los orbitales moleculares enlazantes siempre tienen niveles de energía más bajos que los orbitales moleculares antienlazantes. Esto se debe a que, en el caso de los orbitales moleculares enlazantes, los electrones del orbital son atraídos por los núcleos, mientras que en el caso de los orbitales moleculares antienlazantes, los núcleos se repelen entre sí.

Problemas de muestra

Pregunta 1: ¿Qué es una teoría de orbitales moleculares?

Responder:

La teoría de los orbitales moleculares es una teoría de enlaces químicos establecida por F. Hund y RS Mulliken a principios del siglo XX para describir la estructura y el comportamiento de varias moléculas. 

Pregunta 2: Desarrollar la teoría de orbitales moleculares.

Responder:

Según la teoría de los orbitales moleculares, cada átomo tiende a combinarse y formar orbitales moleculares. Los electrones se encuentran en distintos orbitales atómicos como resultado de este arreglo, y frecuentemente están conectados con diferentes núcleos. En una molécula, un electrón se puede encontrar en cualquier parte de la molécula.

Pregunta 3: ¿Cómo es útil la combinación lineal de orbitales atómicos?

Responder:

Se pueden utilizar para estimar la producción de estos orbitales en el enlace entre los átomos de una molécula. El comportamiento de los electrones de los orbitales moleculares se puede describir mediante una ecuación de Schrödinger idéntica a la utilizada para los orbitales atómicos. Es una forma de representar orbitales moleculares que es aproximada.

Pregunta 5: ¿Por qué los orbitales de antienlace tienen mucha energía?

Responder:

Los orbitales moleculares enlazantes siempre tienen niveles de energía más bajos que los orbitales moleculares antienlazantes. Esto se debe al hecho de que en los orbitales moleculares enlazantes, los núcleos atraen los electrones del orbital, mientras que en los orbitales moleculares antienlazantes, los núcleos se repelen entre sí.