bioquimica

Orbitales moleculares

La teoría del enlace de valencia y de los orbitales híbridos nos permite pasar directamente de las estructuras de Lewis a una racionalización de las geometrías observadas de las moléculas en términos de orbitales atómicos. Por ejemplo, podemos utilizar esta teoría para entender porqué el metano tiene la fórmula CH4, cómo se usan los orbitales atómicos del carbono y elhidrógeno para formar enlaces con pares de electrones, y porqué la disposición de los enlaces C – H alrededor del carbono central es tetraédrica. Sin embargo, no logra describir los estados excitados de las moléculas, lo cual debemos entender si queremos explicar cómo las moléculas absorben la luz, lo que las hace coloreadas.
Algunos aspectos de los enlaces se explican mejor con otro modelollamado teoría de orbitales moleculares. Esta teoría describe los electrones de las moléculas como si existieran en estados de energía permitidos llamados orbitales moleculares.
Los orbitales moleculares tienen muchas características semejantes a los orbitales atómicos. Por ejemplo, los orbitales moleculares contienen un máximo de dos electrones (con spines opuestos)y tienen energías definidas.Porotro lado, los orbitales moleculares están asociados a la molécula entera, no a un solo átomo.

La molécula de hidrógeno

Para tener una idea del enfoque adoptado en la teoría de orbitales moleculares, consideremos la molécula del hidrógeno, H2. Siempre que dos orbitales atómicos se solapan, se forman dos orbitales moleculares. Adí, el solapamiento de los orbitales 1s de dos átomos de hidrógenopara formar H2 produce dos orbitales moleculares.


El orbital molecular de más baja energía del H2 concentra la densidad electrónica entre los dos núcleos de hidrógeno y se denomina orbital molecular enlazante. Este orbital molecular con forma de salchicha es el resultado de sumar los dos orbitales atómicos de modo que las funciones de onda de dichos orbitales se intensifiquen mutuamente en laregión del enlace. Dado que un electrón en este orbital molecular siente una fuerte atracción por ambos núcleos, es más estable (tiene menor energía) que cuando está en el orbital 1s del átomo de hidrógeno. Al concentrar la densidad electrónica entre los núcleos, el orbital molecular enlazante mantiene los átomos unidos en un enlace covalente.
El orbital de más alta energía de la figuraanterior tiene muy poca densidad electrónica entre los núcleos y se denomina orbital molecular antienlazante. En lugar de intensificarse mutuamente en la región entre los núcleos, los orbitales atómicos se cancelan mutuamente en esta región, y la mayor densidad electrónica está en lados opuestos de los núcleos. Así, este orbital molecular excluye electrones de la región precisa en la que se debe formarun enlace. Un electrón que está en ese orbital molecular es repelido de la región de enlace y por tanto es menos estable (tiene mayor energía) que cuando está en el orbital 1s de un átomo de hidrógeno.
La densidad electrónica en los orbitales moleculares tanto enlazante como antienlazante del H2 se centra en el eje internuclear, una línea imaginaria que pasa a través de los dos núcleos. Losorbitales moleculares de este tipo se denominan orbitales moleculares sigma (σ). El orbital molecular sigma enlazante del H2 se denota como σ1s, y el subíndice indica que el orbital molecular se formó a partir de dos orbitales 1s. El enlace sigma antienlazante del H2 se designa con σ*1s (léase sigma asterisco uno ese); el asterisco denota que el orbital es antienlazante.
La interacción entre dosorbitales 1s para formar orbitales moleculares σ1s y σ*1s se puede representar mediante un diagrama de niveles de energía (también llamado diagrama de orbitales moleculares) como los de la siguiente figura:

Tales diagramas muestran los orbitales atómicos que interactúan en las columnas de la izquierda y de la derecha, y los orbitales moleculares, en la columna central. Advierta que el orbital...