TEORÍA DE ORBITAL MOLECULAR(TOM)

UNI-FIQT AACB

QUÍMICA I

Profesor: Jaime Flores 2011-1

Orbitales Moleculares

• Si hay orbitales en los átomos, por qué no ha de haber orbitales en las moléculas.

• Para que haya orbitales en las moléculas es necesario construir funciones de onda monoelectrónicas para las moléculas.

ORBITALES MOLECULARES

Teoría de orbitales moleculares– los enlaces se forman a partir de la interacción de orbitales átomícos para formar orbitales

moleculares.

O

ODebería ser diamagnético

Experimentalmente se observa que el O2 es paramagnético. El comportamiento paramagnético se atribuye a la presencia de electrones desapareados en el diagrama de energía.

No se observan electrones desapareados

1. El número de orbitales moleculares (OMs) siempre es igual al número de orbitales atómicos combinados.

2. Entre más estable es el enlace OM, menos estable es el antienlace correspondiente.

3. Los OMs se llenan de acuerdo con su nivel de energía.

4. Cada OM puede tener hasta dos electrones.

5. Se utiliza la regla de Hund cuando se añaden electrones a los OMs del mismo nivel de energía.

6. El número de electrones en los OMs es igual a la suma de todos los electrones en los átomos unidos.

Configuraciones de orbitales moleculares (OM)

Átomos separados

A BA B

2A 2

A2B 2

B

Enlace

A BA B

)2(2

121

22

21

2

Antienlace

A B A B

Teoría de orbital molecular

A B

A B

A B

A B

A B

A B

Formación del Enlace Químico

Molécula de Hidrógeno

A B

RAB

e1 e2

rA1 rB2

rB1

rA2

r12

H2

orden de enlace = 12

Número de electrones en enlaces OM

Número de electrones en antienlaces OM( - )

½ 1 0½

SUPERPOSICIÓN DE ORBITALES p

1s 1s 2s 2s

2p 2px = 2py 2px = 2py

2p

Excepto para B, C y N:

1s 1s 2s 2s

2px = 2py 2p 2px = 2py

2p

Energíacreciente

Moléculas diatómicas heteronucleares: el monóxido de carbono, CO

O.A. (N)O.A. (O)O.M. (NO)

Molécula de NO

ENLACE METÁLICO

Las propiedades de los metales: alta conductividad térmica y eléctrica, brillo, maleabilidad, ductilidad, son consecuencia del enlace metálico que se da entre sus átomos.

Modelo del Mar de Electrones

En este modelo, el sólido metálico se representa como un conjunto de cationes metálicos en un “mar de electrones de valencia”. Los cationes (formados por el núcleo del átomo y los electrones que no participan del enlace) se encuentran en posiciones fijas, los electrones de valencia se mueven entre ellos deslocalizadamente es decir por todo el cristal metálico, sin pertenecer a ningún átomo en particular (están distribuidos de manera uniforme en toda la estructura).

Modelo del Mar de Electrones

El conjunto de electrones deslocalizados se comporta como una verdadera nube de electrones y también se los denomina como “gas de electrones”. La presencia de estos electrones de valencia que no pertenecen a ningún átomo en particular sino a todos los cationes del cristal, anula prácticamente las fuerzas repulsivas de los cationes e incrementa la estabilidad del sistema. El enlace metálico puede considerarse como la acción estabilizante de los electrones de valencia deslocalizados entre los cationes.Para describir el enlace metálico hace falta un cristal metálico, constituido por un conjunto ordenado de átomos de elementos metálicos ordenados en el espacio y no dos átomos como en el caso de los enlaces iónicos y covalentes.

Modelo del Mar de Electrones

Teoría de Bandas de los sólidos

En un átomo aislado:• Los electrones se encuentran sometidos a la influencia del campo eléctrico del núcleo atómico, uniforme y esférico. •Cada electrón tiene un valor de energía según el nivel-subnivel en que se encuentra en el átomo aislado (1s, 2s2p, 3s…). En los sólidos cristalinos (como son los metales) •En el cristal se presentan gran cantidad de átomos ordenados (moles) y con ellos, gran cantidad de núcleos atómicos. •Los electrones se encuentran moviéndose en el campo eléctrico de gran cantidad de núcleos, razón por la cual, el campo eléctrico en el que se mueven, no es uniforme.

De acuerdo con TOM, por interacción de N orbitales atómicos se formarán N orbitales moleculares. De la interacción de un mol de átomos de sodio, la interacción de 6,022x1023 orbitales atómicos 3s producirá 6,022x1023 orbitales moleculares muy poco espaciados. En lugar de los pocos orbitales moleculares con energías ampliamente espaciadas típicas de moléculas pequeñas, la inmensa cantidad de orbitales en un metal hace que estén tan cerca entre sí en energía que forman una banda casi continua. Estas bandas continuas de orbitales pertenecen al cristal como un todo.

A la banda de menor energía, se la denomina banda de valencia y es una banda de orbitales moleculares llenos.La otra banda, la de niveles más altos de energía, se denomina banda de conducción que es una banda vacía o llena incompletamente de orbitales moleculares.La teoría de bandas, explica que según el tipo de sustancia, las bandas de valencia y de conducción pueden o no estar separadas por bandas de energía de valores prohibidos. Para los cristales no metálicos, la representación gráfica incluye una banda prohibida. Esta banda prohibida implica una diferencia energética muy grande para que los electrones la puedan superar y así poder llegar a la banda de conducción.

Conductor metálico: es un conductor electrónico en el cual la conductividad eléctrica disminuye a medida que aumenta la temperatura. Ejemplo: metales y otros sólidos como el grafito.Semiconductor: es un conductor electrónico en el cual la conductividad eléctrica se incrementa a medida que aumenta la temperatura. Ejemplo: un cristal puro de silicio que contenga una pequeñísima cantidad de arsénico o de indio.

Superconductor: es un conductor electrónico que tiene una resistencia nula por debajo de una determinada temperatura. Hasta 1987, la mayor parte de superconductores eran metales, como el plomo, o compuestos enfriados a temperaturas próximas al cero absoluto. A partir de ese año, se informó sobre los primeros superconductores de alta temperatura que podían ser utilizados a una temperatura cercana a los 100 K. Estos son materiales cerámicos, con complicadas estructuras de óxidos iónicos. Los superconductores pueden hacer levitar vehículos con imanes incorporados.

La conductividad eléctrica de un metal disminuye a medida que la temperatura aumenta porque el aumento de temperatura provoca la agitación térmica de los iones metálicos (vibran más vigorosamente) y colisionan con los electrones impidiendo el flujo de electrones cuando se aplica un campo eléctrico.Los semiconductores tienen bandas de valencia llenas que están ligeramente por debajo (muy próximas en energía), pero que no se solapan, con bandas de conducción vacías. No conducen la electricidad a temperaturas bajas, pero un pequeño aumento de la temperatura alcanza para excitar a algunos de los electrones de energía más elevada hacia la banda de conducción vacía, donde pueden moverse a través de todo el sólido.

La capacidad de un semiconductor para transportar una corriente eléctrica puede también ser amplificada por adición de electrones a la banda de conducción o por remoción de algunos de la capa de valencia. Esta modificación es llevada a cabo químicamente mediante dopado del sólido, o diseminando cantidades pequeñas de impurezas a través de él Por agregado de una diminuta cantidad de arsénico (grupo 15) al silicio muy puro, el arsénico incrementa la cantidad de electrones en el sólido Los electrones adicionales entran a la banda de conducción superior normalmente vacía del silicio y le permiten al sólido conducir. Este tipo de material se denomina semiconductor tipo n, debido a que contiene exceso de electrones cargado negativamente.

Cuando el silicio es mezclado con indio (grupo 13) en lugar de arsénico, el sólido tiene menos electrones de valencia que el silicio puro, por lo tanto el enlace de valencia no está completamente lleno, se dice que contiene “huecos”. Debido a que la banda de valencia no está completamente llena, ha sido convertida en una banda conductora y la corriente eléctrica puede fluir. Este tipo de semiconductor se llama semiconductor tipo p porque la ausencia de electrones cargados negativamente es equivalente a la presencia de huecos cargados positivamente.Los dispositivos electrónicos en estado sólido, como diodos, transistores y circuitos integrados, contienen uniones p-n en las cuales un semiconductor tipo p está en contacto con un semiconductor tipo n

ENLACE METALICO

Teoría de bandas Teoría del mar de electrones