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Orbital molecular

En química cuántica, los orbitales moleculares son regiones del espacio que contienen la densidad electrónica definida por funciones matemáticas que describen el comportamiento ondulatorio que pueden tener los electrones en las moléculas. Estas funciones pueden usarse para calcular propiedades químicas y físicas tales como la probabilidad de encontrar un electrón en una región del espacio. El término orbital fue presentado por primera vez en inglés por Robert S. Mulliken en 1932 como abreviatura de «función de onda orbital de un electrón» (one-electron orbital wave function[1]​) a partir de una traducción de la palabra alemana utilizada en 1925 por Erwin Schrödinger, 'Eigenfunktion'. Desde entonces se considera un sinónimo a la región del espacio generada con dicha función. Los orbitales moleculares se construyen habitualmente por combinación lineal de orbitales atómicos centrados en cada átomo de la molécula. Utilizando los métodos de cálculo de la estructura electrónica, como por ejemplo, el método de Hartree-Fock o el de los campos autoconsistente (self-consistent field, SCF), se pueden obtener de forma cuantitativa.

Conjunto de orbitales moleculares completo del acetileno (H–C≡C–H). La columna izquierda muestra los orbitales moleculares que están ocupados en el estado fundamental, con la energía orbital menor en la parte superior. La línea blanca y gris visible en algunos orbitales moleculares es el eje molecular que pasa a través de los núcleos. Pero todas las funciones de onda orbitales son positivas en las regiones rojas y negativas en las azules. La columna derecha muestra orbitales moleculares virtuales que están vacíos en el estado fundamental, pero pueden ser ocupados en estados excitados.

Configuración electrónica

Los orbitales moleculares se utilizan para especificar la configuración electrónica de las moléculas, que permite describir el estado electrónico del sistema molecular como un producto antisimetrizado de los espín-orbitales. Para ello se suelen representar los orbitales moleculares como una combinación lineal de orbitales atómicos (también denominado LCAO-MO). Una aplicación importante es utilizar orbitales moleculares aproximados como un modelo simple para describir el enlace en las moléculas.

La mayoría de los métodos de química cuántica empiezan con el cálculo de los orbitales moleculares del sistema. El orbital molecular describe el comportamiento de un electrón en el campo eléctrico generado por los núcleos y una distribución promediada del resto de los electrones. En el caso de dos electrones que ocupan el mismo orbital, el principio de exclusión de Pauli obliga a que tengan espines opuestos. Hay que destacar que existen métodos más elaborados que no utilizan la aproximación introducida al considerar la función de onda como un producto de orbitales, como son los métodos basados en el uso de funciones de onda de dos electrones (geminales).

Obtención cualitativa de orbitales moleculares

Con el fin de describir cualitativamente la estructura molecular se pueden obtener los orbitales moleculares aproximándolos como una combinación lineal de orbitales atómicos.

Algunas reglas sencillas que permiten obtener cualitativamente los orbitales moleculares son:

  • El número de orbitales moleculares es igual al número de orbitales atómicos incluidos en la expansión lineal.
  • Los orbitales atómicos se mezclan más (es decir, contribuyen más a los mismos orbitales moleculares) si tienen energías similares. Esto ocurre en el caso de moléculas diatómicas homonucleares como el O2. Sin embargo en el caso de que se unan diferentes núcleos la desigual carga (y por tanto la carga efectiva y la electronegatividad) hacen que el orbital molecular se deforme. De esta manera los dos orbitales 1s del hidrógeno se solapan al 50% contribuyendo por igual a la formación de los dos orbitales moleculares, mientras que en el enlace H-O el oxígeno tiene un coeficiente de participación mayor y el orbital molecular se parecerá más al orbital atómico del oxígeno (según la descripción matemática de la función de onda)
  • Los orbitales atómicos solo se mezclan si lo permiten las reglas de simetría: los orbitales que se transforman de acuerdo con diferentes representaciones irreducibles del grupo de simetría no se mezclan. Como consecuencia, las contribuciones más importantes provienen de los orbitales atómicos que más solapan (se enlacen).

La molécula de hidrógeno

Como ejemplo simple, es ilustrativa la molécula de dihidrógeno H2, con dos átomos etiquetados H' y H". Los orbitales atómicos más bajos en energía, 1s' y 1s", no se transforman de acuerdo con la simetría de la molécula. Sin embargo, las siguientes combinaciones líneales sí lo hacen:

1s' - 1s" Combinación antisimétrica: negada por reflexión, inalterada por las otras operaciones
1s' + 1s" Combinación simétrica: inalterada por todas las operaciones

En general, la combinación simétrica (llamada orbital enlazante) está más baja en energía que los orbitales originales, y la combinación antisimétrica (llamada orbital antienlazante) está más alta. Como la molécula de dihidrógeno H2 tiene dos electrones, los dos pueden ser descritos por el orbital enlazante, de forma que el sistema tiene una energía más baja (por tanto, es más estable) que dos átomos de hidrógenos libres. Esto se conoce como enlace covalente.

La aproximación de orbitales moleculares como combinación lineal de orbitales atómicos (OM-CLOA) fue introducida en 1929 por Sir John Lennard-Jones. Su publicación mostró cómo derivar la estructura electrónica de las moléculas de diflúor y dioxígeno a partir de principios cuánticos. Este acercamiento cuantitativo a la teoría de orbitales moleculares representó el nacimiento de la química cuántica moderna.

Tipos de orbitales moleculares

Al enlazar dos átomos, los orbitales atómicos se fusionan para dar orbitales moleculares :

  • Enlazantes: De menor energía que cualquiera de los orbitales atómicos a partir de los cuales se creó. Se encuentra en situación de atracción, es decir, en la región internuclear. Contribuyen al enlace de tal forma que los núcleos positivos vencen las fuerzas electrostáticas de repulsión gracias a la atracción que ejerce la nube electrónica de carga negativa que hay entre ellos hasta una distancia dada que se conoce como longitud de enlace.
  • Antienlazantes: De mayor energía, y en consecuencia, en estado de repulsión.

Los tipos de orbitales moleculares son:

 
  1. Orbitales σ enlazantes: combinación de orbitales atómicos s con p (s-s p-p s-p p-s). Enlaces "sencillos" con grado de deslocalización muy pequeño. Orbitales con geometría cilíndrica alrededor del eje de enlace.
  2. Orbitales π enlazantes: combinación de orbitales atómicos p perpendicuales al eje de enlace. Electrones fuertemente deslocalizados que interaccionan fácilmente con el entorno. Se distribuyen como nubes electrónicas por encima y debajo del plano de enlace.
  3. Orbitales σ* antienlazantes: versión excitada (de mayor energía) de los enlazantes.
  4. Orbitales π* antienlazantes: orbitales π de alta energía.
  5. Orbitales n: para moléculas con heteroátomos (como el N o el O, por ejemplo). Los electrones desapareados no participan en el enlace y ocupan este orbital.

Los orbitales moleculares se "llenan" de electrones al igual que lo hacen los orbitales atómicos:

  • Por orden creciente del nivel de energía: se llenan antes los orbitales enlazantes que los antienlazantes, siguiendo entre estos un orden creciente de energía. La molécula tenderá a rellenar los orbitales de tal modo que la situación energética sea favorable.
  • Siguiendo el principio de exclusión de Pauli: cuando se forman los orbitales moleculares estos podrán albergar como máximo dos electrones, teniendo estos espines distintos.
  • Aplicando la regla de máxima multiplicidad de Hund: Los orbitales moleculares degenerados (con el mismo nivel de energía) tienden a repartir los electrones desapareándolos al máximos (espines paralelos). Esto sucede para conseguir orbitales semillenos que son más estables que una subcapa llena y otra vacía debido a las intensas fuerzas repulsivas entre los electrones. Gracias a ello se pueden explicar propiedades de ciertas moléculas como el paramagnetismo del oxígeno molecular (el orbital más externo de la molécula tiene electrones desapareados que interaccionan con un campo magnético).

Según estas reglas se van completando los orbitales. Una molécula será estable si sus electrones se encuentran de forma mayoritaria en orbitales enlazantes y será inestable si se encuentran en orbitales antienlazantes:

  • Al combinar dos orbitales 1s del hidrógeno se obtienen dos orbitales moleculares sigma, uno enlazante (de menor energía) y otro
    antienlazante (de mayor energía). Los dos electrones de valencia se colocan con espines antiparalelos en el orbital σ y el orbital σ*
    queda vacío : la molécula es estable.
  • Al combinar dos orbitales 1s de helio se forman dos orbitales moleculares sigma y los cuatro electrones llenan todos los
    orbitales. Sin embargo los orbitales antienlazantes fuerzan a la molécula a disociarse y se vuelve inestable, por ello no
    existe molécula de He2.

Véase también

Notas

  1. Mulliken, Robert S. (julio de 1932). «Electronic Structures of Polyatomic Molecules and Valence. II. General Considerations». Physical Review 41 (1): 49-71. Bibcode:1932PhRv...41...49M. doi:10.1103/PhysRev.41.49. 
  •   Datos: Q725417
  •   Multimedia: Molecular orbitals

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En quimica cuantica los orbitales moleculares son regiones del espacio que contienen la densidad electronica definida por funciones matematicas que describen el comportamiento ondulatorio que pueden tener los electrones en las moleculas Estas funciones pueden usarse para calcular propiedades quimicas y fisicas tales como la probabilidad de encontrar un electron en una region del espacio El termino orbital fue presentado por primera vez en ingles por Robert S Mulliken en 1932 como abreviatura de funcion de onda orbital de un electron one electron orbital wave function 1 a partir de una traduccion de la palabra alemana utilizada en 1925 por Erwin Schrodinger Eigenfunktion Desde entonces se considera un sinonimo a la region del espacio generada con dicha funcion Los orbitales moleculares se construyen habitualmente por combinacion lineal de orbitales atomicos centrados en cada atomo de la molecula Utilizando los metodos de calculo de la estructura electronica como por ejemplo el metodo de Hartree Fock o el de los campos autoconsistente self consistent field SCF se pueden obtener de forma cuantitativa Conjunto de orbitales moleculares completo del acetileno H C C H La columna izquierda muestra los orbitales moleculares que estan ocupados en el estado fundamental con la energia orbital menor en la parte superior La linea blanca y gris visible en algunos orbitales moleculares es el eje molecular que pasa a traves de los nucleos Pero todas las funciones de onda orbitales son positivas en las regiones rojas y negativas en las azules La columna derecha muestra orbitales moleculares virtuales que estan vacios en el estado fundamental pero pueden ser ocupados en estados excitados Indice 1 Configuracion electronica 2 Obtencion cualitativa de orbitales moleculares 3 La molecula de hidrogeno 4 Tipos de orbitales moleculares 5 Vease tambien 6 NotasConfiguracion electronica EditarLos orbitales moleculares se utilizan para especificar la configuracion electronica de las moleculas que permite describir el estado electronico del sistema molecular como un producto antisimetrizado de los espin orbitales Para ello se suelen representar los orbitales moleculares como una combinacion lineal de orbitales atomicos tambien denominado LCAO MO Una aplicacion importante es utilizar orbitales moleculares aproximados como un modelo simple para describir el enlace en las moleculas La mayoria de los metodos de quimica cuantica empiezan con el calculo de los orbitales moleculares del sistema El orbital molecular describe el comportamiento de un electron en el campo electrico generado por los nucleos y una distribucion promediada del resto de los electrones En el caso de dos electrones que ocupan el mismo orbital el principio de exclusion de Pauli obliga a que tengan espines opuestos Hay que destacar que existen metodos mas elaborados que no utilizan la aproximacion introducida al considerar la funcion de onda como un producto de orbitales como son los metodos basados en el uso de funciones de onda de dos electrones geminales Obtencion cualitativa de orbitales moleculares EditarCon el fin de describir cualitativamente la estructura molecular se pueden obtener los orbitales moleculares aproximandolos como una combinacion lineal de orbitales atomicos Algunas reglas sencillas que permiten obtener cualitativamente los orbitales moleculares son El numero de orbitales moleculares es igual al numero de orbitales atomicos incluidos en la expansion lineal Los orbitales atomicos se mezclan mas es decir contribuyen mas a los mismos orbitales moleculares si tienen energias similares Esto ocurre en el caso de moleculas diatomicas homonucleares como el O2 Sin embargo en el caso de que se unan diferentes nucleos la desigual carga y por tanto la carga efectiva y la electronegatividad hacen que el orbital molecular se deforme De esta manera los dos orbitales 1s del hidrogeno se solapan al 50 contribuyendo por igual a la formacion de los dos orbitales moleculares mientras que en el enlace H O el oxigeno tiene un coeficiente de participacion mayor y el orbital molecular se parecera mas al orbital atomico del oxigeno segun la descripcion matematica de la funcion de onda Los orbitales atomicos solo se mezclan si lo permiten las reglas de simetria los orbitales que se transforman de acuerdo con diferentes representaciones irreducibles del grupo de simetria no se mezclan Como consecuencia las contribuciones mas importantes provienen de los orbitales atomicos que mas solapan se enlacen La molecula de hidrogeno EditarComo ejemplo simple es ilustrativa la molecula de dihidrogeno H2 con dos atomos etiquetados H y H Los orbitales atomicos mas bajos en energia 1s y 1s no se transforman de acuerdo con la simetria de la molecula Sin embargo las siguientes combinaciones lineales si lo hacen 1s 1s Combinacion antisimetrica negada por reflexion inalterada por las otras operaciones1s 1s Combinacion simetrica inalterada por todas las operaciones En general la combinacion simetrica llamada orbital enlazante esta mas baja en energia que los orbitales originales y la combinacion antisimetrica llamada orbital antienlazante esta mas alta Como la molecula de dihidrogeno H2 tiene dos electrones los dos pueden ser descritos por el orbital enlazante de forma que el sistema tiene una energia mas baja por tanto es mas estable que dos atomos de hidrogenos libres Esto se conoce como enlace covalente La aproximacion de orbitales moleculares como combinacion lineal de orbitales atomicos OM CLOA fue introducida en 1929 por Sir John Lennard Jones Su publicacion mostro como derivar la estructura electronica de las moleculas de difluor y dioxigeno a partir de principios cuanticos Este acercamiento cuantitativo a la teoria de orbitales moleculares represento el nacimiento de la quimica cuantica moderna Tipos de orbitales moleculares EditarAl enlazar dos atomos los orbitales atomicos se fusionan para dar orbitales moleculares Enlazantes De menor energia que cualquiera de los orbitales atomicos a partir de los cuales se creo Se encuentra en situacion de atraccion es decir en la region internuclear Contribuyen al enlace de tal forma que los nucleos positivos vencen las fuerzas electrostaticas de repulsion gracias a la atraccion que ejerce la nube electronica de carga negativa que hay entre ellos hasta una distancia dada que se conoce como longitud de enlace Antienlazantes De mayor energia y en consecuencia en estado de repulsion Los tipos de orbitales moleculares son Orbitales s enlazantes combinacion de orbitales atomicos s con p s s p p s p p s Enlaces sencillos con grado de deslocalizacion muy pequeno Orbitales con geometria cilindrica alrededor del eje de enlace Orbitales p enlazantes combinacion de orbitales atomicos p perpendicuales al eje de enlace Electrones fuertemente deslocalizados que interaccionan facilmente con el entorno Se distribuyen como nubes electronicas por encima y debajo del plano de enlace Orbitales s antienlazantes version excitada de mayor energia de los enlazantes Orbitales p antienlazantes orbitales p de alta energia Orbitales n para moleculas con heteroatomos como el N o el O por ejemplo Los electrones desapareados no participan en el enlace y ocupan este orbital Los orbitales moleculares se llenan de electrones al igual que lo hacen los orbitales atomicos Por orden creciente del nivel de energia se llenan antes los orbitales enlazantes que los antienlazantes siguiendo entre estos un orden creciente de energia La molecula tendera a rellenar los orbitales de tal modo que la situacion energetica sea favorable Siguiendo el principio de exclusion de Pauli cuando se forman los orbitales moleculares estos podran albergar como maximo dos electrones teniendo estos espines distintos Aplicando la regla de maxima multiplicidad de Hund Los orbitales moleculares degenerados con el mismo nivel de energia tienden a repartir los electrones desapareandolos al maximos espines paralelos Esto sucede para conseguir orbitales semillenos que son mas estables que una subcapa llena y otra vacia debido a las intensas fuerzas repulsivas entre los electrones Gracias a ello se pueden explicar propiedades de ciertas moleculas como el paramagnetismo del oxigeno molecular el orbital mas externo de la molecula tiene electrones desapareados que interaccionan con un campo magnetico Segun estas reglas se van completando los orbitales Una molecula sera estable si sus electrones se encuentran de forma mayoritaria en orbitales enlazantes y sera inestable si se encuentran en orbitales antienlazantes Al combinar dos orbitales 1s del hidrogeno se obtienen dos orbitales moleculares sigma uno enlazante de menor energia y otro antienlazante de mayor energia Los dos electrones de valencia se colocan con espines antiparalelos en el orbital s y el orbital s queda vacio la molecula es estable Al combinar dos orbitales 1s de helio se forman dos orbitales moleculares sigma y los cuatro electrones llenan todos los orbitales Sin embargo los orbitales antienlazantes fuerzan a la molecula a disociarse y se vuelve inestable por ello no existe molecula de He2 Vease tambien EditarOrbital Orbital atomico Metodo de orbitales moleculares como una combinacion lineal de orbitales atomicos Metodo HuckelNotas Editar Mulliken Robert S julio de 1932 Electronic Structures of Polyatomic Molecules and Valence II General Considerations Physical Review 41 1 49 71 Bibcode 1932PhRv 41 49M doi 10 1103 PhysRev 41 49 Datos Q725417 Multimedia Molecular orbitals Obtenido de https es wikipedia org w index php title Orbital molecular amp oldid 117826996, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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