O que é a teoria orbital molecular?
A teoria orbital molecular, ou teoria MO, é um método de explicar a ligação entre átomos em termos de elétrons espalhados ao redor de uma molécula em vez de localizados ao redor dos átomos, em contraste com a teoria da ligação de valência ou a teoria VB. Elétrons nos átomos são arranjados em orbitais dentro de subcascas dentro de conchas. Como regra geral, são os elétrons nos orbitais dentro da camada mais externa que estão envolvidos na ligação química, embora existam exceções a isso. Um orbital pode conter no máximo dois elétrons, que devem ter rotações opostas. Na teoria dos orbitais moleculares, quando dois átomos formam uma ligação química, os orbitais atômicos dos elétrons de ligação se combinam para produzir orbitais moleculares com regras semelhantes em relação ao número e ao spin dos elétrons.
Os elétrons, como todas as partículas subatômicas, podem se comportar como ondas. Em vez de ocupar um ponto definido no espaço em um dado momento, um elétron se espalha por todos os seus locais possíveis ao redor do núcleo atômico e sua posição só pode ser expressa em termos de probabilidade. Uma equação desenvolvida pelo físico Erwin Schrodinger pode ser usada para determinar a "função de onda" de um orbital atômico, dando a probabilidade de encontrar um elétron em diferentes locais ao redor do núcleo em termos de distribuição de densidade de elétrons. A teoria dos orbitais moleculares explica a ligação atômica adicionando as funções de onda dos orbitais atômicos envolvidos na ligação para fornecer funções de onda para os orbitais moleculares que envolvem a molécula inteira.
Como a equação da função de onda fornece valores positivos e negativos, conhecidos como fases, dois orbitais moleculares são produzidos. No primeiro, os orbitais atômicos são adicionados na fase - positivo para positivo e negativo para negativo. O segundo tipo é aquele em que estão fora de fase - negativo para positivo e positivo para negativo.
A adição em fase fornece um orbital molecular com a densidade de elétrons concentrada no espaço entre os núcleos, aproximando-os e resultando em uma configuração com uma energia menor do que os dois orbitais atômicos originais combinados. Isso é conhecido como um orbital de ligação. A adição fora de fase resulta na concentração de elétrons concentrada no espaço entre os núcleos, separando-os e produzindo uma configuração com um nível de energia mais alto que os orbitais atômicos. Isso é conhecido como um orbital anti-ligação. Os elétrons dos orbitais atômicos envolvidos na ligação preferem preencher os orbitais moleculares da ligação de menor energia.
Para determinar a natureza da ligação entre dois átomos, a “ordem de ligação” é calculada como: (elétrons de ligação - elétrons anti-ligação) / 2. Uma ordem de ligação zero indica que nenhuma ligação ocorrerá. Em comparação, uma ordem de ligação 1 indica uma ligação simples, com 2 e 3 indicando ligações duplas e triplas, respectivamente.
Como um exemplo muito simples, a ligação de dois átomos de hidrogênio pode ser descrita em termos da teoria orbital molecular. Cada átomo tem apenas um elétron, normalmente no orbital de menor energia. As funções de onda desses orbitais são adicionadas, fornecendo uma ligação e um orbital anti-ligação. Os dois elétrons preencherão o orbital de ligação de energia mais baixa, sem elétrons no orbital de ligação. A ordem das ligações é, portanto, (2 - 0) / 2 = 1, dando uma ligação única. Isso está de acordo com a teoria VB e com a observação.
A interação de dois átomos do próximo elemento na tabela periódica, o hélio, produz um resultado diferente, pois existem dois elétrons em um orbital em cada átomo de hélio. Quando as funções de onda são adicionadas, uma ligação e um orbital anti-ligação são produzidos, como no hidrogênio. Desta vez, no entanto, existem quatro elétrons envolvidos. Dois elétrons preencherão o orbital de ligação e os outros dois terão que preencher o orbital anti-ligação de energia mais alta. A ordem das ligações neste momento é (2 - 2) / 2 = 0, portanto, nenhuma ligação ocorrerá. Novamente, isso concorda com a teoria VB e com a observação: o hélio não forma moléculas.
A teoria do orbital molecular também prevê corretamente ligações duplas e triplas para moléculas de oxigênio e nitrogênio, respectivamente. Na maioria dos casos, a teoria da MO e a teoria da ligação de valência estão de acordo; no entanto, o primeiro explica melhor as moléculas onde a ordem das ligações se situa entre uma ligação simples e uma ligação dupla e as propriedades magnéticas das moléculas. A principal desvantagem da teoria orbital molecular é que, exceto em casos muito simples, como os descritos acima, os cálculos são muito mais complicados.