EL ENLACE QUÍMICO Y LA MECANICA CUANTICA La Mecánica Cuántica contempla la combinación matemática de las funciones de ondas de orbitales atómicos para dar orbitales moleculares (pertenecen a la molécula). La combinación produce dos orbitales moleculares.
ENERGÍA DE LOS ORBITALES MOLECULARES ENLAZANTES Y ANTIENLAZANTES EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA INTERATÓMICA La suma de funciones atómicas da un orbital molecular enlazante donde se sitúa la pareja de electrones con spines opuestos. Este se puede visualizar como la superposición de los orbitales atómicos. En el grafico siguiente se muestra la energía de éste orbital molecular en función de la distancia internuclear. Existe una estabilización a medida que los átomos se acercan pues predominan las fuerzas de atracción entre los atomos sin embargo si los átomos se acercan demasiado hay una desestabilización producto de fuerzas de repulsión interatómica. La menor energía corresponde a un pozo de energía en que se encuentran los átomos en equilibrio respecto de la atracción y la repulsión interatómicas. Este pozo de energía determina la distancia internuclear llamada también longitud de enlace. La diferencia de funciones atómicas genera un orbital molecular antienlazante marcado por fuerzas de repulsión en donde la mayor estabilidad se alcanza cuando los átomos están separados a gran distancia. En este orbital los electrones se encuentran con spines paralelos. Corresponde al proceso de ruptura del enlace.
CUADRO COMPARATIVO DE ENERGÍAS Y LONGITUDES DE ENLACE ENLACES
C-C
C=C
H-H
ENERGÍAS DE ENLACE Kcal/mol
83
146
200
LONGITUDES DE ENLACE A°
1,54
1,35
1,2
C-H
C-O
99
85
179
1,07
1,43
1,22
104
C=O
TIPOS DE UNIONES Los gráficos siguientes además de reforzar los conceptos de orbitales moleculares enlazantes y antienlazantes y sus implicaciones desde el punto de vista de la energía nos muestran dos situaciones que apuntan más bien al tipo de orbitales que intervienen o a distintas formas de unión.
Combinación de orbitales atómicos
Unión σ (sigma) Orbital Molecular enlazante con superposición de orbitales atómicos sobre linea internuclear
Combinación de orbitales atómicos p.
Unión π (pi) Orbital Molecular Enlazante con superposición de orbitales atómicos fuera de linea internuclear.
TIPOS DE ENLACES Y UNIONES
CUADRO COMPARATIVO DE ENERGÍAS Y LONGITUDES DE ENLACE ENLACES
C-C
C=C
H-H
ENERGÍAS DE ENLACE Kcal/mol
83
146
200
LONGITUDES DE ENLACE A°
1,54
1,35
1,2
104
C-H
C-O
C=O
99
85
179
1,07
1,43
1,22
GEOMETRÍA MOLECULAR LA HIBRIDACIÓN DE ORBITALES
La disposición de los átomos en el espacio se determina experimentalmente mediante la técnica de difracción de rayos X. Para hacer concordar la información experimental con aspectos teóricos se ha visto la necesidad de formular un modelo de reordenamiento posicional de los orbitales atómicos. Esta formulación de orden matemático se conoce como hibridación de los orbitales atómicos (mezcla matemática de funciones de onda). Existen diferentes formas de hibridación y la forma que en definitiva adopte un átomo decidirá la orientación espacial de sus orbitales y por consecuencia la GEOMETRIA MOLECULAR.
Veamos las hibridaciones más simples.
CRITERIOS PARA DECIDIR LA HIBRIDACIÓN
1.- CRITERIO MULTIPLICIDAD DE LOS ENLACES Hay que observar la multiplicidad de los enlaces , esto es, cuántas uniones pi deben formarse. Para cada unión pi un átomo debe disponer un orbital p. Dos uniones pi obligan a un átomo a tener 2 orbitales p, o sea que, la hibridación debe ser sp.
Una unión pi requiere un orbital p. Por lo tanto el átomo puede tener hibridación sp o sp 2,pero no sp3 (esta no tiene orbitales p). La ambigüedad se resuelve mediante el siguiente criterio complementario.
2.-CRITERIO DE REPULSIÓN DE PAREJAS DE ELECTRONES Las parejas de electrones, ya sean enlazantes o bien no enlazantes, se repelen por tener igual carga. Entonces el criterio obliga a dar el máximo ángulo de separación a todas las parejas de electrones. En los gráficos siguientes los electrones del átomo cuya hibridación tratamos de determinar los representamos como puntos azules y los electrones del átomo vecino con el que se enlaza como puntos rojos. Así, las parejas enlazantes se grafican como puntos azul y rojo indicando electrones que pertenecen al átomo en cuestión y al otro átomo respectivamente y las no enlazantes del átomo como un par de puntos azules.
Como se puede observar, si el número de parejas de electrones alrededor de un átomo es tres la hibridación es sp, En cambio, si el número de parejas de electrones es cuatro la hibridación es sp 2. Cuando existen solamente uniones σ la hibridación se determina sólo en base del criterio de repulsión de parejas. Cuando hay sólo una unión σ no hay hibridación.
Dos parejas de electrones la hibridación es sp , tres parejas de electrones la hibridación es sp 2 y cuatro parejas de electrones la hibridación es sp 3 .
OTRAS HIBRIDACIONES Y LAS PRINCIPALES GEOMETRIAS MOLECULARE
ALGUNAS APLICACIONES
LA LONGITUD Y LA ESTABILIDAD DE LOS ENLACES DE ATOMOS HIBRIDIZADOS. Puesto que los orbitales s son pequeños y de baja energía comparados con los orbitales p que son de mayor alcance y mayor energía, los enlaces de átomos hibridizados mantendrán aquellas características según el grado de carácter s o p tenga cada situación.
Tipo de enlace (simple) Cp -Cp Csp3 - Csp3 Csp3 - C sp2 Csp3 - C sp Csp2 - C sp2 Csp2 - C sp Csp - C sp
Radio Caracter s (%) Covalente Medio ( A°) 0 % 25 % 0,763
33,3 %
0,743
50 %
0,691
Longitud de Enlace (A°)
Estabilidad + ++ +++ ++++ +++++ ++++++
0,763+0,763 = 1,526 0,763+0,743 = 1,506 0,763+0,691 = 1,454 0,743+0,743 = 1,486 0,743+0,691 = 1,434 0,691+0,691 = 1,382
+++++++
Las situaciones de enlaces dobles sigma-pi o triples sigma-pi-pi será vista más adelante del curso de química orgánica.
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