Qual è la teoria orbitale molecolare?

Teoria orbitale molecolare, o teoria MO, è un metodo per spiegare il legame tra gli 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 la teoria VB. Gli elettroni negli atomi sono disposti in orbitali all'interno di sottoschetti all'interno di conchiglie. Come regola generale, sono gli elettroni negli orbitali all'interno del guscio più esterno che sono coinvolti nel legame chimico, sebbene vi siano eccezioni a questo. Un orbitale può contenere un massimo di due elettroni, che devono avere giri opposti. Nella teoria orbitale molecolare, 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 la rotazione degli elettroni.

elettroni, come tutte le particelle subatomiche, possono comportarsi come ondate. Invece di occupare un punto definito nello spazio in un determinato momento, un elettrone viene distribuito su tutte le sue possibili posizioni attorno al nucleo atomico e il suoLa 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 attorno al nucleo in termini di distribuzione della densità di elettroni. La teoria orbitale molecolare spiega il legame atomico aggiungendo le funzioni d'onda degli orbitali atomici coinvolti nel legame per dare le funzioni d'onda per gli orbitali molecolari che racchiudono l'intera molecola.

Poiché l'equazione della funzione d'onda fornisce valori sia positivi che negativi, noti come fasi, vengono prodotti due orbitali molecolari. Nel primo, gli orbitali atomici vengono aggiunti in fase-positiva a positiva e negativa-negativa. Il secondo tipo è quello in cui sono fuori fase: negativo a positivo e positivo a negativo.

L'aggiunta in fase dà un molecolareOrbitale con la densità elettronica concentrata nello spazio tra i nuclei, avvicinandoli e risultando in una configurazione a un'energia inferiore rispetto ai due orbitali atomici originali combinati. Questo è noto come un orbitale di legame. L'aggiunta fuori fase provoca la concentrazione della densità elettronica lontano dallo spazio tra i nuclei, facendoli a pezzi e producendo una configurazione con un livello di energia più elevato rispetto agli orbitali atomici. Questo è noto come un orbitale anti-legame. Gli elettroni dagli orbitali atomici coinvolti nel legame preferiranno riempire gli orbitali molecolari di legame di energia 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 obbligazioni a partire da zero indica che non avrà luogo alcun legame. In confronto, un ordine di obbligo di 1 indica un singolo legame, 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 orbitale molecolare. Ogni atomo ha un solo elettrone, normalmente nell'orbitale di energia più bassa. Vengono aggiunte le funzioni d'onda di questi orbitali, dando un legame e un orbitale anti-legame. I due elettroni riempiranno l'orbitale di legame di energia inferiore, senza elettroni nell'orbitale anti-legame. L'ordine di legame è quindi (2 - 0)/2 = 1, dando un singolo legame. Ciò è in accordo con la teoria VB e con l'osservazione.

L'interazione di due atomi dell'elemento successivo nella tavola periodica, elio, dà un risultato diverso in quanto vi sono due elettroni in un orbitale in ciascun atomo di elio. Quando vengono aggiunte le funzioni dell'onda, vengono prodotti un legame e un orbitale anti-legame, come con l'idrogeno. Questa volta, tuttavia, ci sono quattro elettroni coinvolti. Due elettroni riempiranno l'orbitale incollaggio e gli altri due dovranno riempire l'orbitale anti-legame di energia più elevata. L'ordine di legame questa volta è (2 - 2)/2 = 0, quindi nessun legame wAvrà luogo. Ancora una volta, questo concorda con la teoria VB e con l'osservazione: l'elio non forma molecole.

La teoria orbitale molecolare prevede anche correttamente i legami doppi e tripli per le molecole di ossigeno e azoto, rispettivamente. Nella maggior parte dei casi, la teoria della MO e la teoria del legame di valenza sono in accordo; Tuttavia, il primo spiega meglio le molecole in cui l'ordine di legame si trova tra un singolo e un doppio legame e le proprietà magnetiche delle molecole. Il principale svantaggio della teoria orbitale molecolare è che, ad eccezione di casi molto semplici come quelli sopra, i calcoli sono molto più complicati.