Teoría de Orbitales Moleculares: Comprende cómo se forman los enlaces, los niveles de energía y la simetría en las moléculas a través de esta teoría fundamental de la química cuántica.
Teoría de Orbitales Moleculares | Enlaces, Niveles de Energía y Simetría
La teoría de orbitales moleculares (TOM) es una de las teorías más importantes en la química cuántica. Esta teoría ofrece una explicación detallada de cómo los átomos se combinan para formar moléculas y cómo se distribuyen los electrones en estas moléculas.
Enlaces
La teoría de orbitales moleculares se basa en el principio de que los orbitales atómicos pueden combinarse para formar orbitales moleculares. Estos orbitales moleculares son distribuciones espaciales de electrones que abarcan dos o más núcleos atómicos.
- Orbitales enlazantes: Estos orbitales tienen menor energía que los orbitales atómicos de los cuales se forman. Los electrones en estos orbitales ayudan a mantener unidos a los núcleos, creando un enlace químico.
- Orbitales antienlazantes: Estos orbitales tienen mayor energía que los orbitales atómicos originales. Los electrones en estos orbitales tienden a desestabilizar la molécula.
Un concepto clave en la teoría de orbitales moleculares es el interferencia constructiva y destructiva de los orbitales atómicos, que da lugar a la formación de orbitales enlazantes y antienlazantes, respectivamente.
Niveles de Energía
En la teoría de orbitales moleculares, los niveles de energía de los orbitales moleculares juegan un papel crucial. Los orbitales moleculares se organizan en niveles de energía discretos que los electrones pueden ocupar.
- Orbitales Sigma (σ): Estos orbitales se forman por la combinación frontal de dos orbitales atómicos, y suelen ser de energía menor, para orbitales enlazantes, o muy elevada, para los orbitales antienlazantes.
- Orbitales Pi (π): Se forman por la combinación lateral de dos orbitales atómicos y presentan diferentes niveles de energía en comparación con los orbitales sigma.
La regla de construcción de orbitales moleculares puede resumirse como sigue:
- Combinar todos los orbitales atómicos disponibles para formar orbitales moleculares.
- Ordenar estos orbitales de menor a mayor energía.
- Distribuir los electrones disponibles, comenzando desde el nivel de energía más bajo (según el principio de Aufbau).
Una regla importante es que cada orbital molecular puede albergar un máximo de dos electrones con espines opuestos, según el principio de exclusión de Pauli.
Simetría
La simetría es otro aspecto fundamental en la teoría de orbitales moleculares. Los grupos de simetría molecular determinan cómo se pueden combinar los orbitales atómicos para formar orbitales moleculares.
- Simetría de reflexión: Un plano de reflexión divide una molécula en dos mitades, cada una de las cuales es una imagen especular de la otra.
- Simetría rotacional: La molécula puede rotarse en algún ángulo y parecer indistinguible de su estado original.
- Centros de inversión: Un punto en la molécula donde al invertir las coordenadas de todos los átomos se obtiene la misma molécula.
Modelo H2 Del Hidrógeno
El modelo de molécula de hidrógeno (H2) es uno de los ejemplos más simples que ilustra cómo funciona la teoría de orbitales moleculares.
En la molécula de H2, dos átomos de hidrógeno se combinan:
- Los orbitales 1s de dos átomos de hidrógeno se combinan para formar un orbital sigma enlazante (σ1s) y un orbital sigma antienlazante (σ1s*).
- Los dos electrones ocupan el orbital σ1s enlazante, lo que resulta en una molécula H2 estable.
El diagrama de niveles de energía para H2 se puede esquematizar, mostrando que el orbital σ1s está más bajo en energía que los orbitales 1s aislados y el orbital σ1s* está más alto.
Conclusión
La teoría de orbitales moleculares ofrece una visión rica y detallada de la estructura y el comportamiento de las moléculas. Al considerar la combinación de orbitales atómicos y el impacto de la simetría, es posible entender y predecir las propiedades de las moléculas de una manera profunda. Esta teoría no solo es fundamental para la química, sino que también tiene aplicaciones importantes en áreas como la física y la ingeniería de materiales.