How atoms REALLY make molecules!

Summary

En este video, se compara la teoría del enlace de valencia (TEV) con la teoría orbital molecular (TOM) para explicar cómo los átomos forman moléculas. Mientras que la TEV describe los enlaces a través de la superposición de orbitales atómicos, la TOM ofrece una visión más profunda al considerar orbitales moleculares extendidos que abarcan toda la molécula, explicando fenómenos como la magnetización de O₂ y la aromaticidad en el benceno. La TOM también aclara cómo los orbitales HOMO y LUMO influyen en las reacciones químicas, aunque la TEV sigue siendo útil por su simplicidad y aplicabilidad práctica en química básica.

Takeaways

• 😀 La teoría de orbitales moleculares (TOM) explica cómo los átomos forman moléculas al superponer los orbitales atómicos de todos los átomos involucrados, formando orbitales moleculares que se extienden por toda la molécula.
• 😀 En la teoría del enlace de valencia (TEV), los átomos comparten electrones en orbitales superpuestos para formar enlaces, pero la TOM proporciona una explicación más precisa al mostrar que los orbitales atómicos se combinan para formar orbitales moleculares que abarcan toda la molécula.
• 😀 Los orbitales moleculares pueden ser de dos tipos: **orbitales de enlace**, que estabilizan la molécula al concentrar densidad electrónica entre los núcleos, y **orbitales antibonding**, que desestabilizan la molécula al disminuir la densidad electrónica entre los núcleos.
• 😀 Los electrones en los orbitales de enlace tienen menos energía potencial, lo que contribuye a la estabilidad de la molécula, mientras que los electrones en los orbitales antibonding tienen mayor energía potencial y pueden hacer que la molécula se rompa.
• 😀 La teoría de orbitales moleculares resuelve problemas como los octetos expandido y las configuraciones electrónicas complejas, sin necesidad de reglas especiales como en la TEV.
• 😀 En el caso de la molécula de oxígeno (O2), la TOM explica que tiene dos electrones desapareados en orbitales antibonding, lo que hace que sea paramagnética, una propiedad que no se puede explicar mediante la TEV.
• 😀 La **aromaticidad** en moléculas como el benceno se puede entender con la TOM, que muestra que todos los enlaces en la molécula son equivalentes y más estables de lo esperado, a diferencia de la TEV que predice enlaces dobles alternados.
• 😀 La teoría de orbitales moleculares permite predecir la estabilidad y las propiedades de las moléculas de manera más precisa que la teoría del enlace de valencia, especialmente para moléculas complejas.
• 😀 En la química de reacciones, se presta especial atención a los orbitales más energéticos de una molécula: el **orbital molecular ocupado más alto (HOMO)** y el **orbital molecular no ocupado más bajo (LUMO)**, que son clave en la formación de enlaces en reacciones ácido-base y en el diseño de catalizadores.
• 😀 Aunque la TOM es más precisa, en la práctica se utiliza tanto la teoría del enlace de valencia como la teoría de orbitales moleculares, ya que la TEV es más fácil de visualizar y usar en moléculas pequeñas, mientras que la TOM se usa para explicaciones más profundas y cálculos complejos.

Q & A

¿Cuál es la diferencia principal entre la teoría de orbitales moleculares (TOM) y la teoría del enlace de valencia (TEV)?

La principal diferencia radica en cómo se explican los enlaces químicos. La TEV considera que los átomos comparten electrones en orbitales híbridos localizados entre átomos adyacentes, mientras que la TOM plantea que los orbitales atómicos de todos los átomos involucrados en una molécula se combinan para formar orbitales moleculares que se extienden por toda la molécula.

¿Por qué la teoría de orbitales moleculares ofrece una mejor explicación que la teoría del enlace de valencia para algunas moléculas?

La TOM es más precisa porque explica fenómenos como la estabilidad de moléculas con electrones no apareados, como en el caso del oxígeno (O2). Además, la TOM puede describir moléculas aromáticas, como el benceno, y cómo sus electrones se distribuyen en orbitales moleculares, lo que no se explica bien con la TEV.

¿Qué son los orbitales de enlace y anti-enlace en la teoría de orbitales moleculares?

En la TOM, los orbitales de enlace son aquellos que resultan de la superposición constructiva de orbitales atómicos, lo que genera una mayor densidad electrónica entre los átomos, estabilizando la molécula. Los orbitales de anti-enlace, por el contrario, surgen de la superposición destructiva, lo que reduce la densidad electrónica entre los núcleos y desestabiliza la molécula.

¿Cómo afecta la teoría de orbitales moleculares a la comprensión de la estabilidad de las moléculas?

Según la TOM, las moléculas son más estables cuando los electrones ocupan los orbitales de enlace, que tienen menor energía potencial. Cuando los electrones ocupan orbitales de anti-enlace, que tienen mayor energía, la estabilidad de la molécula disminuye. Este modelo también explica cómo los electrones pueden ser excitados a orbitales de anti-enlace bajo ciertas condiciones.

¿Por qué la teoría de orbitales moleculares puede ser más difícil de visualizar en comparación con la teoría del enlace de valencia?

La TOM se basa en conceptos de mecánica cuántica que involucran ondas y probabilidades, lo que hace que la visualización de los orbitales moleculares sea más abstracta. Mientras que en la TEV los orbitales pueden imaginarse como áreas definidas de superposición, en la TOM los orbitales son descritos como nubes de probabilidad extendidas que no tienen una forma fija o visualizable de manera simple.

¿Qué significa el concepto de 'orbitales no enlazantes' en la teoría de orbitales moleculares?

Los orbitales no enlazantes son aquellos en los que la combinación de orbitales atómicos de los átomos involucrados en una molécula no resulta en un efecto significativo de atracción o repulsión. En estos orbitales, la densidad electrónica no contribuye a la formación del enlace molecular.

¿Cómo se explica el fenómeno de la aromaticidad en la teoría de orbitales moleculares?

La TOM explica la aromaticidad observando cómo los electrones en moléculas como el benceno se distribuyen en orbitales moleculares de enlace que cubren toda la molécula, lo que resulta en una estabilidad extra debido a la simetría y la deslocalización de los electrones. Esto se diferencia de la TEV, que no puede explicar por qué todos los enlaces en el benceno son de igual longitud.

¿Por qué el oxígeno (O2) tiene dos electrones desapareados según la teoría de orbitales moleculares?

En la TOM, el oxígeno tiene dos electrones en orbitales antibonding no apareados. Estos electrones son responsables de las propiedades magnéticas débiles del oxígeno y su color azul débil, lo que no se puede explicar adecuadamente con la TEV, que predice un enlace doble entre los átomos de oxígeno.

¿Qué papel juegan los orbitales HOMO y LUMO en la química de las moléculas?

Los orbitales HOMO (orbital molecular ocupado de mayor energía) y LUMO (orbital molecular no ocupado de menor energía) son cruciales en las reacciones químicas. Los electrones del HOMO de una molécula pueden transferirse al LUMO de otra, facilitando la formación de un nuevo enlace químico, lo que es fundamental para el diseño de catalizadores y en reacciones de ácido-base.

¿Por qué la teoría de orbitales moleculares es más adecuada para describir moléculas grandes y complejas que la teoría del enlace de valencia?

La TOM es más adecuada para describir moléculas grandes y complejas porque puede manejar la combinación de muchos orbitales atómicos y la interacción de electrones a lo largo de toda la molécula. La TEV es útil en modelos simples pero no tiene la capacidad de predecir con precisión las propiedades de moléculas más grandes, como la aromaticidad o la estabilidad de moléculas con electrones no apareados.