9: Prefacio a los Cálculos

El estudiante principiante de química debe tener un conocimiento de la teoría que forma la base para nuestra comprensión de la química y debe adquirir estos conocimientos antes de tener los antecedentes matemáticos requeridos para un riguroso curso de estudio en mecánica cuántica. El presente enfoque está diseñado para satisfacer esta necesidad enfatizando los aspectos físicos u observables de la teoría a través de un uso extensivo de la densidad de carga electrónica.

La manera en que la carga negativa de un átomo o una molécula se dispone en el espacio tridimensional está determinada por la distribución electrónica de la densidad de carga. Así, determina directamente los tamaños y formas de las moléculas, sus momentos eléctricos y, de hecho, todas sus propiedades químicas y físicas.

Dado que la densidad de carga describe la distribución de la carga negativa en el espacio real, es una cantidad físicamente medible. En consecuencia, cuando se utiliza como base para la discusión de la química, la densidad de carga permite una imagen física directa e interpretación.

En particular, las fuerzas ejercidas sobre un núcleo en una molécula por los otros núcleos y por la densidad de carga electrónica pueden calcularse e interpretarse rigurosamente en términos de electrostática clásica. Así, dada la distribución de carga molecular, la estabilidad de un enlace químico puede discutirse en términos del requisito electrostático de lograr una fuerza cero sobre los núcleos de la molécula. Un enlace químico es el resultado de la acumulación de densidad de carga negativa en la región entre cualquier par de núcleos en una medida suficiente para equilibrar las fuerzas de repulsión. Esto es cierto para cualquier enlace químico, iónico o covalente, e incluso del mínimo superficial en las curvas de potencial que surgen de las fuerzas de van der Waals.

En este tratamiento se conservan las clasificaciones de enlace, iónicas o covalentes, pero se les dan definiciones físicas en términos de la distribución real de carga dentro de la molécula. En los enlaces covalentes, la densidad de carga de valencia se distribuye sobre toda la molécula y las fuerzas de atracción responsables de la unión de los núcleos son ejercidas por la densidad de carga igualmente compartida entre ellos en la región internuclear. En el enlace iónico, la densidad de carga de valencia se localiza en la región de un solo núcleo y en este extremo de unión la densidad de carga localizada en un solo núcleo ejerce la fuerza de atracción que une ambos núcleos.

Esta página web comienza con una discusión sobre la necesidad de una nueva mecánica para describir los eventos a nivel atómico. Esto se ilustra a través de una discusión de experimentos con electrones y luz, que se encuentran inexplicables en términos de la mecánica de Newton. Los conceptos básicos de la descripción cuántica de un electrón unido, como la cuantificación, la degeneración y su aspecto probabilístico, se introducen contrastando los resultados cuánticos y clásicos para sistemas unidimensionales similares. La descripción orbital atómica del átomo de muchos electrones y el principio de exclusión de Pauli se consideran con cierto detalle, y se ilustran las consecuencias experimentales de sus predicciones sobre la energía, el momento angular y las propiedades magnéticas de los átomos. Se destaca la interpretación alternativa de la distribución de probabilidad (para un estado estacionario de un átomo) como una representación de una distribución estática de carga electrónica en el espacio real, en preparación para la discusión del enlace químico.

La unión química se discute en términos de la distribución de carga molecular y las fuerzas que ejerce sobre los núcleos, un enfoque que puede ser rigurosamente presentado utilizando conceptos electrostáticos. La discusión se potencia mediante el uso extensivo de diagramas para ilustrar tanto las distribuciones de carga molecular como los cambios en las distribuciones de carga atómica que acompañan a la formación de un enlace químico.

Los temas anteriores se tratan en las primeras siete secciones de esta página web. La sección final es para el lector interesado en la extensión del concepto orbital a los casos moleculares. En esta sección se da un relato elemental del uso de la simetría en la predicción de la estructura electrónica de las moléculas.

Hamilton, 1970