9: Unión Química en Moléculas Diatómicas
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Nuestra base para entender la unión química y las estructuras de las moléculas es la descripción orbital electrónica de la estructura y valencia de los átomos, como lo proporciona la mecánica cuántica. Asumimos una comprensión de la periodicidad de los elementos a partir de la estructura nuclear del átomo y nuestras deducciones sobre valencia basadas en orbitales electrónicos.
- 9.1: La aproximación Nacido-Oppenheimer simplifica la ecuación de Schrödinger para moléculas
- La aproximación Born-Oppenheimer es una de las aproximaciones más importantes y fundamentales en la mecánica cuántica molecular. Esta aproximación separa la ecuación de Schrödinger en dos componentes, dando como resultado una parte electrónica y nuclear separada de los componentes de la función de onda. Esta separación no es exacta, sino aproximada basada en la separación de los grados de libertad electrónica y nuclear que suponemos que se puede hacer con base en el diferencial de masas.
- 9.2: Las especies prototípicas de H2+
- La molécula más simple concebible estaría compuesta por dos protones y un electrón, a saberH+2. Esta especie en realidad tiene una existencia transitoria en descargas eléctricas a través del gas hidrógeno y ha sido detectada por espectrometría de masas y también se ha detectado en el espacio exterior. La ecuación de Schrödinger para seH+2 puede resolver exactamente dentro de la aproximación Born-Oppenheimer. Este ion consiste en dos protones unidos por la fuerza electrostática de un solo electrón.
- 9.3: La Integral de Superposición
- Las integrales superpuestos cuantifican la concentración de orbitales (a menudo) en átomos adyacentes en las mismas regiones del espacio. El solapamiento orbital es un componente crítico en la formación de enlaces.
- 9.4: Estabilidad de enlace químico
- De este enfoque LCAO-MO surgen las integrales Coulomb, Exchange (similar a los cálculos HF de átomos) y Superposición. El concepto de orbitales de unión y antiunión resulta. La aplicación de LCAO hacia orbitales moleculares se demuestra incluyendo teoría variacional lineal y ecuaciones seculares.
- 9.5: Orbitales Adhesivos y Antiadherentes
- La estructura espacial de los orbitales moleculares ligantes y antiadherentes se contrastan demostrando características como un nodo entre los núcleos. Se discute la expansión de los MOs de LCAO usando un conjunto de bases mayor que solo los orbitales atómicos 1s.
- 9.6: Un Tratamiento Molecular-Orbital Simple de H₂ Coloca Ambos Electrones en un Orbital de Enlace
- Para describir los estados electrónicos de las moléculas, construimos funciones de onda para los estados electrónicos mediante el uso de orbitales moleculares. Estas funciones de onda son soluciones aproximadas a la ecuación de Schrödinger. Se construye una función matemática para un orbital molecularψi,, como una combinación lineal de otras funcionesφj, que se denominan funciones base porque proporcionan la base para representar el orbital molecular.
- 9.7: Orbitales Moleculares Pueden Ordenarse Según Sus Energías
- La combinación lineal de orbitales atómicos siempre devuelve el mismo número de orbitales moleculares. Entonces, si empezamos con dos orbitales atómicos, terminamos con dos orbitales moleculares. Cuando los orbitales atómicos se suman en fase, obtenemos interferencia constructiva y un orbital de menor energía. Cuando se suman fuera de fase, obtenemos un nodo y el orbital resultante tiene mayor energía. Los MO de menor energía se están uniendo y los MO de mayor energía son antiaglutinantes.
- 9.8: La teoría molecular-orbital no predice una molécula de helio diatómica estable
- Los orbitales moleculares ocupados (es decir, orbitales con electrones) se representan a través de una configuración electrónica como con átomos. Para la diatómica, estas configuraciones se reflejan en un “orden de unión” que se usa para describir la fuerza y longitudes de los enlaces. Predicen que las moléculas estables (es decir, observables) tienen órdenes de enlace que son > 0. Para orbitales moleculares que consisten solo en los orbitales atómicos 1s, eso sugiere que ciertas moléculas no existirán. El ejemplo típico es el dímero de helio.
- 9.9: Los electrones pueblan orbitales moleculares según el principio de exclusión de Pauli
- El principio de exclusión Pauli juega un papel tan importante en la comprensión de la estructura electrónica de las moléculas como lo hace en el caso de los átomos. Ahora estamos en condiciones de construir y determinar las configuraciones electrónicas de las moléculas diatómicas homonucleares agregando electrones dos a la vez a los orbitales moleculares con los espines de los electrones emparejados, llenando siempre primero los orbitales de menor energía.
- 9.10: Teoría Orbital Molecular Predice que el Oxígeno Molecular es Paramagnético
- La configuración orbital molecular dicta el orden de enlace del enlace. Esto a su vez dicta la fuerza de la unión y la longitud de unión con enlaces más fuertes que exhiben pequeñas longitudes de unión. La configuración orbital molecular del oxígeno molecular demuestra que la especie neutra en estado fundamental tiene dos electrones desapareados y por lo tanto es paramagnética (atractiva para los campos magnéticos externos). Esta es una característica de la teoría MO que otras teorías no predicen.
- 9.14: Los símbolos de términos moleculares describen los estados electrónicos de las moléculas
- Los símbolos de términos moleculares especifican los niveles de energía electrónica molecular. Los símbolos de término para moléculas diatómicas se basan en representaciones irreducibles en grupos de simetría lineal, derivadas de notaciones espectroscópicas. Por lo general constan de cuatro partes: multiplicidad de espín, momento angular azimutal, momento angular total y simetría. Todos los símbolos de términos moleculares discutidos aquí se basan en el acoplamiento Russel-Saunders.
- 9.15: Símbolos de Término Molecular Designan Simetría
- Los números cuánticos para las moléculas diatómicas son similares a los números cuánticos atómicos. Tenga cuidado, porque las reglas para encontrar las posibles combinaciones son diferentes
- 9.E: Enlace químico en moléculas diatómicas (Ejercicios)
- Estos son ejercicios de tarea para acompañar el Capítulo 9 de McQuarrie y Simon “Physical Chemistry: A Molecular Approach” Textmap.
