Teoria do Orbital Molecular

A teoria do orbital molecular descreve os elétrons em uma molécula como ocupando orbitais espalhados por todos os átomos, construídos pela combinação de orbitais atômicos em estados ligantes e antiligantes.

Definition

A teoria do orbital molecular é um modelo quântico-químico no qual os elétrons ocupam orbitais moleculares, tipicamente construídos como combinações lineares de orbitais atômicos, que se estendem por toda a molécula e determinam sua ligação e propriedades.

Scope

Este tópico abrange a descrição do orbital molecular da ligação: a combinação linear de orbitais atômicos, a formação de orbitais moleculares ligantes e antiligantes, e a construção de configurações eletrônicas moleculares para determinar a ordem de ligação, o comportamento magnético e a estabilidade. Inclui o tratamento de moléculas diatômicas e poliatômicas simples, orbitais sigma e pi, a relação entre a sobreposição de orbitais e a energia, e ferramentas qualitativas como a simetria orbital e os orbitais de fronteira. A maquinaria variacional geral e o método de Hartree-Fock autoconsistente são tratados no tópico de métodos.

Core questions

• Como os orbitais moleculares são construídos como combinações de orbitais atômicos?
• O que distingue os orbitais ligantes dos antiligantes e como eles afetam a estabilidade?
• Como a ordem de ligação decorre da ocupação dos orbitais moleculares?
• Como a teoria do orbital molecular explica o magnetismo de moléculas como o oxigênio?

Key concepts

• Combinação linear de orbitais atômicos
• Orbitais ligantes e antiligantes
• Ordem de ligação
• Orbitais sigma e pi
• Orbitais de fronteira (HOMO e LUMO)

Key theories

Construção LCAO de orbitais moleculares

Os orbitais moleculares são aproximados como somas ponderadas de orbitais atômicos; combinações construtivas concentram a densidade eletrônica entre os núcleos para formar orbitais ligantes, enquanto combinações destrutivas criam nós e orbitais antiligantes.

Preenchimento Aufbau e ordem de ligação

O preenchimento dos orbitais moleculares em ordem crescente de energia de acordo com o princípio de Pauli e a regra de Hund fornece a configuração eletrônica, da qual se derivam a ordem de ligação, o número líquido de pares de elétrons ligantes e as propriedades magnéticas.

Clinical relevance

A teoria do orbital molecular explica as forças de ligação, cores, magnetismo e reatividade, fundamenta o raciocínio de orbitais de fronteira sobre a seletividade de reações e guia o design de corantes, semicondutores, materiais fotovoltaicos e moléculas de fármacos conjugadas.

History

A teoria do orbital molecular foi desenvolvida por Hund e Mulliken a partir do final da década de 1920 como uma alternativa à teoria da ligação de valência de Pauling; o tratamento de Huckel dos sistemas pi conjugados na década de 1930 e as ideias posteriores de orbitais de fronteira de Fukui e as regras de Woodward-Hoffmann a tornaram central para a compreensão da reatividade.

Key figures

• Robert S. Mulliken
• Friedrich Hund
• Erich Huckel

Seminal works

• mcquarrie1997
• levinequantum2014

Frequently asked questions

Por que a teoria do orbital molecular prevê que o oxigênio é magnético?

O preenchimento dos orbitais moleculares da molécula de oxigênio deixa dois elétrons desemparelhados em orbitais pi antiligantes degenerados, tornando-a paramagnética; este sucesso, que as imagens simples de pares de elétrons não captam, foi um triunfo inicial da teoria.

O que são HOMO e LUMO, e por que são importantes?

São os orbitais moleculares ocupados de mais alta energia e os orbitais moleculares desocupados de mais baixa energia; como as reações e excitações eletrônicas geralmente envolvem esses orbitais de fronteira, suas energias e formas influenciam fortemente a reatividade, a cor e o comportamento eletrônico de uma molécula.