Cos'è la teoria orbitale molecolare?
La teoria orbitale molecolare, o teoria MO, è un metodo per spiegare il legame tra atomi in termini di elettroni che si diffondono attorno a una molecola piuttosto che localizzati attorno agli atomi, in contrasto con la teoria del legame di valenza o teoria del VB. Gli elettroni negli atomi sono disposti in orbitali all'interno di conchiglie all'interno di conchiglie. Come regola generale, sono gli elettroni negli orbitali all'interno del guscio più esterno che sono coinvolti nel legame chimico, anche se ci sono eccezioni a questo. Un orbitale può contenere un massimo di due elettroni, che devono avere spin opposti. Nella teoria degli orbitali molecolari, quando due atomi formano un legame chimico, gli orbitali atomici degli elettroni di legame si combinano per produrre orbitali molecolari con regole simili per quanto riguarda il numero e lo spin degli elettroni.
Gli elettroni, come tutte le particelle subatomiche, possono comportarsi come onde. Invece di occupare un determinato punto nello spazio in un dato momento, un elettrone viene sparso su tutte le sue possibili posizioni attorno al nucleo atomico e la sua posizione può essere espressa solo in termini di probabilità. Un'equazione sviluppata dal fisico Erwin Schrodinger può essere utilizzata per determinare la "funzione d'onda" di un orbitale atomico, dando la probabilità di trovare un elettrone in diverse posizioni intorno al nucleo in termini di distribuzione della densità elettronica. La teoria degli orbitali molecolari spiega il legame atomico aggiungendo le funzioni d'onda degli orbitali atomici coinvolti nel legame per fornire le funzioni d'onda per gli orbitali molecolari che racchiudono l'intera molecola.
Poiché l'equazione della funzione d'onda fornisce valori positivi e negativi, noti come fasi, vengono prodotti due orbitali molecolari. Nel primo, gli orbitali atomici vengono aggiunti in fase: da positivo a positivo e da negativo a negativo. Il secondo tipo è quello in cui sono sfasati: da negativo a positivo e da positivo a negativo.
L'aggiunta in fase fornisce un orbitale molecolare con la densità elettronica concentrata nello spazio tra i nuclei, avvicinandoli e dando luogo a una configurazione a energia inferiore rispetto ai due orbitali atomici originali combinati. Questo è noto come orbitale di legame. L'aggiunta fuori fase provoca la concentrazione di elettroni lontano dallo spazio tra i nuclei, allontanandoli ulteriormente e producendo una configurazione con un livello di energia superiore rispetto agli orbitali atomici. Questo è noto come orbitale anti-legame. Gli elettroni degli orbitali atomici coinvolti nel legame preferiranno riempire gli orbitali molecolari di legame energetico inferiore.
Per determinare la natura del legame tra due atomi, l '"ordine di legame" viene calcolato come: (elettroni di legame - elettroni anti-legame) / 2. Un ordine di legame pari a zero indica che non verrà eseguito alcun legame. In confronto, un ordine di legame di 1 indica un legame singolo, con 2 e 3 che indicano rispettivamente legami doppi e tripli.
Come esempio molto semplice, il legame di due atomi di idrogeno può essere descritto in termini di teoria dell'orbitale molecolare. Ogni atomo ha un solo elettrone, normalmente nell'orbitale a energia più bassa. Le funzioni d'onda di questi orbitali vengono aggiunte, dando un legame e un orbitale anti-legame. I due elettroni riempiranno l'orbitale di legame di energia inferiore, senza elettroni nell'orbitale di legame. L'ordine delle obbligazioni è quindi (2 - 0) / 2 = 1, dando un'unica obbligazione. Ciò è in accordo con la teoria VB e con l'osservazione.
L'interazione di due atomi dell'elemento successivo nella tavola periodica, l'elio, dà un risultato diverso in quanto vi sono due elettroni in un orbitale in ciascun atomo di elio. Quando vengono aggiunte le funzioni d'onda, vengono prodotti un orbitale di legame e un anti-legame, come con l'idrogeno. Questa volta, tuttavia, ci sono quattro elettroni coinvolti. Due elettroni riempiranno l'orbitale di legame e gli altri due dovranno riempire l'orbitale anti-legame di energia superiore. L'ordine di legame questa volta è (2 - 2) / 2 = 0, quindi non verrà eseguito alcun legame. Ancora una volta, ciò concorda con la teoria VB e con l'osservazione: l'elio non forma molecole.
Anche la teoria dell'orbitale molecolare predice correttamente i doppi e tripli legami rispettivamente per le molecole di ossigeno e azoto. Nella maggior parte dei casi, la teoria MO e la teoria del legame di valenza sono d'accordo; tuttavia, il primo spiega meglio le molecole in cui l'ordine del legame si trova tra un singolo e un doppio legame e le proprietà magnetiche delle molecole. Il principale svantaggio della teoria dell'orbitale molecolare è che, ad eccezione di casi molto semplici come quelli sopra, i calcoli sono molto più complicati.