Teoria dels orbitals moleculars

Enllaç sigma d'orbitals atòmics. Exemple de la teoria dels orbitals moleculars en una molècula d'hidrogen.

En química, la teoria dels orbitals moleculars (TOM), és un mètode per a determinar l'estructura molecular en la qual els electrons no estan assignats a enllaços individuals entre àtoms, sinó que prenen un moviment que està sota la influència dels nuclis de tota la molècula. En aquesta teoria, cada molècula té un grup d'orbitals moleculars, i s'assumeix que la funció d'ona ψ_f de l'orbital molecular està escrita com una simple suma entre els n orbitals atòmics constituents χ_i, d'acord amb la següent equació:

$\psi _{j}=\sum _{i=1}^{n}c_{ij}\chi _{i}$

Els coeficients c_ij poden ser determinats numèricament per substitució d'aquesta equació per la de Schrödinger i l'aplicació del principi variacional. Aquest mètode s'anomena combinació lineal d'òrbites atòmiques i s'utilitza en la química computacional. Una transformació unitària addicional pot ser aplicada en el sistema per accelerar la convergència en algunes combinacions computacionals. La teoria dels orbitals moleculars ha estat vista com a competidora de la teoria de l'enllaç de valència en els anys 30, però es va descobrir després que els dos mètodes estan íntimament relacionats i que quan són estesos són equivalents.

Visió general de la teoria

Segons la teoria dels orbitals moleculars, els enllaços covalents de les molècules es formen quan se superposen els orbitals atòmics, de manera que els nous orbitals moleculars pertanyen a la molècula sencera i no a un sol àtom. Durant la formació d'un enllaç, els orbitals atòmics s'acosten i comencen a superposar-se, alliberant energia a mesura que l'electró de cada àtom és atret per la càrrega positiva del nucli de l'altre àtom. Com més gran sigui la superposició, major serà el despreniment d'energia i, per tant, menor serà l'energia de l'orbital molecular. Si el procés d'aproximació dels àtoms continua, els nuclis atòmics poden arribar a repel·lir-se mútuament, el que fa que l'energia del sistema augmenti. Això significa que la màxima estabilitat (mínima energia) s'assoleix quan els nuclis es troben a una distància determinada que es coneix com a longitud d'enllaç.

Segons la teoria dels orbitals moleculars, el nombre d'orbitals moleculars és igual al nombre d'orbitals atòmics que se superposen. L'orbital molecular de menor energia es forma quan se superposen dos orbitals atòmics que estan en fase. Aquest orbital conté els dos electrons i manté als dos àtoms units, per la qual cosa es denomina orbital molecular enllaçant. No obstant això, es forma un altre orbital molecular, que posseeix una energia major que la suma de les energies dels dos orbitals atòmics separats. Aquest orbital molecular s'anomena antienllaçant i és destructiu, és a dir, si els electrons es trobessin en aquest orbital, els dos àtoms es repel·lirien.