Teoría del Enlace de Orbitales Moleculares (TOM) · PDF fileORBITAL MOLECULAR ENLAZANTE...

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  • Teora del Enlace de Orbitales Moleculares (TOM)

    Conceptos Fundamentales: Combinacin Lineal de Orbitales Atmicos: CLOA

    Molculas diatmicas sencillas homonucleares:

    OM enlazantes y antienlazantes.

    OM y

    Configuracin electrnica molecular: reglas para su construccin.

    Configuracin electrnica molecular y diagrama de OM.

    Aplicacin a molculas diatmicas sencillas heteronucleares.

    Aplicacin a molculas poliatmicas: OM multicntricos

    y no enlazantes.

  • Conceptos Fundamentales

    Orbitales Moleculares

    Combinacin Lineal de Orbitales Atmicos (CLOA)

    Las molculas se describen en trminos de Orbitales Moleculares anlogos a los orbitales atmicos.

    Los orbitales moleculares (OM) se construyen por Combinacin Lineal (sumas y restas) de Orbitales Atmicos (CLOA) de orbitales atmicos de los tomos que forman la molcula.

    Todos los electrones de la molcula (incluidos los de un determinado enlace) pertenecen a toda la molcula.

  • Por qu surgi la TOM?

    (1) Supone una extensin natural de la mecnica cuntica aplicada a sistemas qumicos: tomos molculas

    (2) Para explicar ciertas propiedades de algunas molculas (p.ej. el comportamiento magntico)

    Ej: O2 :=:Molcula diamagntica (electrones apareados)

    Se observa experimentalmente que la molcula de O2 presenta un paramagnetismo correspondiente a DOS electrones desapareados

  • Molculas diatmicas homonucleares sencillas:

    OM enlazantes y antienlazantes

    La funcin de onda que describe un orbital molecular se obtiene por combinacin lineal (suma o resta) de la funcin de onda del orbital atmico de un tomo con la funcin de onda del orbital atmico del otro tomo.

    Ejemplo: H2H: 1s1

    CLOA de los orbitales de los dos tomos de H produce DOS orbitales moleculares (enlazante y antienlazante)

  • ORBITAL MOLECULAR ENLAZANTE (1s)

    Al sumar a(1s) y b(1s) se produce acumulacin de densidad electrnica entre los nucleos y disminuye la energa potencial coulombica del sistema.

    ORBITAL MOLECULAR ANTIENLAZANTE (1s*)

    Al restar a(1s) y b(1s) se produce deficiencia de densidad electrnica entre los nucleos y aumenta la energa potencial coulombica del sistema.

    Por qu un orbital es enlazante o antienlazante?

    Ejemplo: H2+ Considerando las fuerzas que ejerce el electrn sobre los dos nucleos tenemos:

    (a) cuando el electrn est en una regin fuera de la zona internuclear, la fuerza resultante tiende a separar los nucleos(anti enlace)

  • (b) el electrn en el espacio internuclear ejerce fuerzas sobre los ncleos que tienden a aproximarlos (enlace)

    Cmo vara la energa total del sistema H2+?

    Lo importante es que la comparticin de electrones se haga de tal manera que la energa total del sistema disminuya.

    Depende del orbital molecular que ocupe el electrn compartido por los dos nucleos de H.

    La sola comparticin de electrones por dos ncleos NO da automticamente lugar a la formacin de un enlace.

  • OM y En molculas A2 formadas por tomos del segundo perodo y sucesivos hay que considerar orbitales atmicos distintos de los 1s. Para orbitales ns el tratamiento es anlogo al de los 1s

    Se forman dos tipos de O.M. Segn la simetra que tienen se denominan

    y

    La nomenclatura indica que el O.M. tiene simetra de revolucin (de rotacin) sobre el eje que une los nucleos de los tomos enlazados. Un O.M. no tiene plano nodal; la nomenclatura es anloga a la de O.A. ( corresponde a s)

    La nomenclatura indica que el O.M. concentra la densidad electrnica por encima y por debajo de la lnea de unin entre los ncleos de los tomos enlazados. Un O.M. tiene un plano nodal que contiene a los dos nleos; tiene dos lbulos. Nomenclatura anloga a la de O.A. ( corresponde a p)

  • CLOA de orbitales atomicos npExisten dos posibilidades en funcin de las propiedades de simetra y orientacin de los orbitales atmicos

    Solapamiento Frontal Formacin de OM tipo (enlazante y antienlazante)

    Solapamiento Lateral formacin de OM tipo (enlazante y antienlazante)

  • Configuracin electrnica molecular: Reglas para su construccin.De manera anloga a como se escriben las configuraciones electrnicas atmicas, se pueden escribir configuraciones electrnicas de las molculas.

    (1) Nmero de O.M. es igual al nmero de O.A. que usamos para CLOA.

    (2) Un O.M. se construye por CLOA de OA de similar energa y simetra adecuada.

    (3) El centro de gravedad de energa de los OA se conserva al realizar la CLOA.Cuanto ms estable es un OM enlazante ms inestable es el OM antienlazante correspondiente. La combinacin de OA es tanto ms eficaz cuanto ms prximos en energa estn los OA que combinamos.

    (4) Para distribuir los electrones, los OM deben colocarse en un diagrama en orden creciente de energa.

    (5) En una molcula estable el nmero de electrones en OM enlazantes es siempre mayorque el nmero de electrones en OM antienlazantes.

    (6) Cada OM acomoda dos electrones con spines opuestos (Principio de Pauli).

    (7) Cuando se situan electrones en OM degenerados, la distribucin ms estable es la que permite mayor desapareamiento de spines (Regla de Hund)

    (8) El nmero de electrones en los OM de la molcula es igual a la suma de los electrones de los tomos que la forman.

  • Configuracin electrnica molecular y diagrama de OM.

    Son dos maneras equivalentes de representar la misma informacin sobre el enlace.

    H2: (1s)2; o.e.=1 He2:(1s)2(1s*)2; o.e.=0

    He2+: (1s)2 (1s*)1; o.e.=1/2H2+: (1s)1; o.e.=1/2

  • Orden de enlace

    Orden de enlace =

    n. de e- en OM enlazantes n. de e- en OM antienlazantes

    2

    Sirve para predecir la estabilidad de una molcula:

    En una molcula estable el nmero de electrones en OM enlazantes es siempre mayorque el nmero de electrones en OM antienlazantes.

    Ej: He2: (1s)2 (1s*)2; o.e.=0 El enlace no tiene estabilidad y la molcla no puede existir

    Es una medida cualitativa de la fuerza de un enlace:

    Mayor orden de enlace supone enlace ms fuerte.

    Ej: Orden de estabilidad relativa: H2> H2+> He2+>He2o.e. H2+ = o.e. He2+; en H2+ hay menor repulsin e--e-

  • Diagramas de O.M. de molculas diatmicas homonucleares de elementos del 2 Periodo

    Para molculas con ms de 8 electrones es necesario considerar tambin los O.A. 2p

    La interaccin 2p es ms eficaz que la 2p(O.M. enlazante de menor energa y antienlazante de mayor energa que los )

    Diagrama de O.M. esperado

  • 1) Li2 y Be2

    Li2: (1s)2 (1s*)2 (2s)2o.e.=1, molcula estable y diamagntica

    Be2: (1s)2 (1s*)2 (2s)2 (2s*)2o.e.=0, no existe la molcula Be2

    Diagrama O.M. de la molcula Li2

    Sustancias diamagnticas: repelen el campo magntico(NO tienen electrones desapareados)

    Sustancias paramagnticas: son atradas por el campo magntico(tienen electrones desapareados)

    Comportamiento magntico

  • 2) B2, C2, N2, O2 y F2 Es necesario considerar tambin los O.A. 2p

    Por qu se da la inversin entre los O.M. 2pz y 2p?

  • Diagramas de O.M. de molculas diatmicas homonucleares

    de elementos del 2 Periodo

  • Diagramas de O.M. de molculas diatmicas heteronucleares (AB)

    Los O.M. en molculas heteronucleras NO poseen carcter simtrico en cuanto a la comparticin de los electrones por los ncleos enlazados.

    En molculas AB constituidas por tomos de nmero atmico pequeo y similares (ej. BN, NO, CN) es posible utilizar un modelo similar al de molculas A2

    Los O.M. enlazantes estn energticamente ms prximos a los O.A. del tomo ms electronegativo (B) (mayor Z*); y los O.M. antienlazantes estn ms prximos a los O.A. del tomo menos electronegativo (A) (menos Z*)

    La densidad electrnica de los O.M. enlazantesest ms concentrada sobre el tomo ms electronegativo mientras que la de los O.M. antienlazantes lo est sobre el menos electronegativo

    Distribucin asimtrica de la densidad electrnica

    A B

    (B) > (A)

  • Un O.M. se construye por CLOA de OA de similar energa y simetra adecuada.

    Cuando la diferencia entre los nmeros atmicos de A y B es muy grande, los orbitales que dan lugar a los Orbitales Moleculares NO son del mismo tipo (s, p, etc..)

  • Aplicacin a molculas poliatmicas:

    OM multicntricos y OM no enlazantes

    Ej: Molcula lineal CO2

    multicntricos

    no enlazantes

  • Ej: Molcula angular O3 (Ozono)

    enlaces ESQUELETO (geometra)

    enlaces REFORZAMIENTO enlace

  • Ej: Electrones deslocaliizados Benceno