Química General · Bonding theories
Teoría de orbitales moleculares
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con teoría de orbitales moleculares? Escanea el problema.
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Lo que aprenderás
- Combine s and p atomic orbitals into σ and π bonding and antibonding molecular orbitals and describe their nodes and energies.
- Fill the molecular orbital diagram of a period 1 or period 2 homonuclear diatomic, using the σ2p/π2p order switch between N₂ and O₂, and calculate its bond order.
- Predict magnetism, bond length and bond strength for diatomics and their ions, such as O₂⁺, O₂⁻, O₂²⁻ and N₂⁺.
- Describe heteronuclear diatomics such as CO, CN⁻ and NO qualitatively from electron counts, isoelectronic partners and atomic orbital energies.
- Distinguish localized σ bonds from delocalized π systems in benzene and ozone by combining hybridization with molecular orbital theory.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
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Orbitales enlazantes y antienlazantes
Cuando dos orbitales atómicos se superponen, se combinan para formar dos orbitales moleculares (OM); n orbitales atómicos siempre dan n OM. La combinación en fase acumula densidad electrónica entre los núcleos: este OM enlazante tiene menor energía que los orbitales atómicos. La combinación fuera de fase presenta un plano nodal entre los núcleos: este OM antienlazante, marcado con *, tiene mayor energía, y su aumento de energía es ligeramente mayor que la disminución que experimenta el OM enlazante. Toma z como el eje internuclear. La superposición frontal (s con s, s con p_z, p_z con p_z) da OM σ, que son simétricos respecto al eje en sentido cilíndrico. La superposición lateral de p_x con p_x, o de p_y con p_y, da OM π; cada OM π tiene un plano nodal que contiene el eje, y un OM π* tiene un segundo plano nodal entre los núcleos. Los orbitales con superposición neta nula, como un orbital s de un átomo frente a un orbital p_x del otro, no se combinan. Cada OM aloja como máximo dos electrones de espín opuesto. Orden de enlace = ½ × (electrones en OM enlazantes − electrones en OM antienlazantes). El H₂ es σ1s², con orden de enlace 1. El H₂⁺ tiene un electrón, orden de enlace ½: un enlace real pero más débil. El He₂ es σ1s² σ*1s², orden de enlace 0, y como el OM antienlazante sube más de lo que baja el enlazante, dos átomos de helio se repelen en lugar de formar una molécula estable.
Diatómicas homonucleares de la segunda fila
Para el Li₂ hasta el Ne₂ solo hay que dibujar los OM de valencia: σ1s y σ*1s están ambos llenos y se cancelan. Cada átomo aporta un orbital 2s y tres orbitales 2p, de modo que se forman ocho OM de valencia: σ2s, σ*2s, σ2p, σ*2p, dos π2p degenerados y dos π*2p degenerados. Para el O₂, el F₂ y el Ne₂ el orden de energías es σ2s < σ*2s < σ2p < π2p < π*2p < σ*2p. Para el Li₂ hasta el N₂ las energías del 2s y del 2p son cercanas, así que los orbitales σ2s y σ2p se mezclan (mezcla s–p); esto empuja al σ2p por encima del π2p y da σ2s < σ*2s < π2p < σ2p < π*2p < σ*2p. Llena desde abajo y coloca un electrón en cada orbital degenerado, con espines paralelos, antes de aparearlos (regla de Hund). El N₂ (dibujado) tiene 10 electrones de valencia: σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p², así que su orden de enlace es (8 − 2)/2 = 3. A lo largo del periodo los órdenes de enlace son Li₂ 1, Be₂ 0, B₂ 1, C₂ 2, N₂ 3, O₂ 2, F₂ 1, Ne₂ 0. Entre átomos de tamaño similar, un mayor orden de enlace implica un enlace más corto y más fuerte: N₂ (110 pm, unos 945 kJ/mol), O₂ (121 pm, unos 498 kJ/mol), F₂ (141 pm, unos 159 kJ/mol). El B₂ es paramagnético porque sus dos electrones π2p ocupan orbitales separados; si el σ2p estuviera por debajo del π2p, se aparearían en el σ2p, así que esta observación respalda el orden invertido.
Magnetismo e iones diatómicos
Una especie con electrones desapareados es paramagnética y es atraída hacia un campo magnético; una especie con todos sus electrones apareados es diamagnética y es repelida débilmente. El O₂ tiene 12 electrones de valencia: σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². Los dos últimos electrones ocupan los dos orbitales π* degenerados de uno en uno, con espines paralelos, así que el O₂ tiene orden de enlace 2 y dos electrones desapareados. El oxígeno líquido queda retenido entre los polos de un imán potente, mientras que el nitrógeno líquido pasa de largo. La estructura de Lewis O=O (dibujada) aparea todos los electrones y no puede explicarlo. Cuando se forma un ion, pregúntate de qué orbital sale o entra el electrón. Quitar un electrón al O₂ vacía parte del π*, así que el O₂⁺ tiene orden de enlace 2,5 y un enlace más corto y más fuerte. Añadir electrones llena el π*: el superóxido, O₂⁻, tiene orden de enlace 1,5 y un electrón desapareado; el peróxido, O₂²⁻, tiene orden de enlace 1 y es diamagnético. Las longitudes de enlace son coherentes: O₂⁺ unos 112 pm, O₂ 121 pm, O₂⁻ unos 130 pm, O₂²⁻ unos 149 pm. En el N₂ el OM ocupado de mayor energía es el σ2p enlazante, así que la ionización debilita el enlace: el N₂⁺ tiene orden de enlace 2,5, con su electrón desapareado en el σ2p.
Moléculas diatómicas heteronucleares
Cuando los dos átomos son distintos, los orbitales atómicos del átomo más electronegativo tienen menor energía. Un OM enlazante tiene entonces más carácter del átomo de menor energía, el más electronegativo, y un OM antienlazante tiene más carácter del átomo de mayor energía. El monóxido de carbono (dibujado) tiene 4 + 6 = 10 electrones de valencia, los mismos que el N₂: ambos son isoelectrónicos, así que el CO también tiene orden de enlace 3 y es diamagnético, y sus orbitales π* se localizan principalmente sobre el carbono. El CN⁻ y el NO⁺ también son isoelectrónicos con el N₂, cada uno con orden de enlace 3. El óxido nítrico, NO, tiene 5 + 6 = 11 electrones de valencia; el undécimo ocupa un orbital π*, así que el NO tiene orden de enlace 2,5 y un electrón desapareado, y es paramagnético. Como ese electrón es antienlazante, el NO se ioniza con facilidad (primera energía de ionización 9,26 eV, frente a 15,58 eV del N₂) y el NO⁺ tiene el enlace más corto (106 pm, frente a 115 pm en el NO). Añadir un electrón da en cambio NO⁻, que es isoelectrónico con el O₂: orden de enlace 2 y dos electrones desapareados.
Enlaces localizados y deslocalizados
La hibridación y la teoría de OM trabajan juntas. En el benceno (dibujado) cada carbono es sp²: sus tres orbitales sp² forman enlaces σ C–C y C–H localizados en un hexágono plano, y queda un orbital 2p sin hibridar por carbono, perpendicular al anillo. Esos seis orbitales 2p se combinan en seis OM π, tres enlazantes y tres antienlazantes. Los seis electrones π llenan los tres OM enlazantes, de modo que el enlace π se reparte por todo el anillo en lugar de quedar fijo en tres dobles enlaces. Cada enlace C–C recibe un orden de enlace π de 3/6 = ½ además de su enlace σ, es decir, un total de 1,5, y los seis enlaces miden 140 pm, entre el C=C del eteno (134 pm) y el C–C del etano (154 pm). En el ozono el oxígeno central tiene tres dominios electrónicos (dos enlaces σ y un par solitario) y es sp². Un orbital 2p de cada oxígeno, perpendicular al plano molecular, da tres OM π: enlazante, no enlazante y antienlazante. De los 18 electrones de valencia del ozono, 4 están en los dos enlaces σ y 10 en cinco pares solitarios en el plano, lo que deja 4 electrones π para llenar los OM π enlazante y no enlazante. Solo el par enlazante aporta enlace π, compartido entre dos enlaces O–O, así que cada enlace O–O tiene orden 1 + ½ = 1,5 y ambos enlaces miden 128 pm. El enlace π del eteno o de un único C=C del ciclohexeno, en cambio, está localizado entre dos átomos.
Lo que conviene recordar
Cuenta los electrones de valencia, llena el diagrama correcto (π2p por debajo de σ2p hasta el N₂; σ2p por debajo de π2p a partir del O₂) y aplica la regla de Hund para los orbitales degenerados. Orden de enlace = ½ × (electrones enlazantes − antienlazantes) permite predecir la fuerza y la longitud de enlace relativas, y los electrones desapareados predicen el paramagnetismo. Para un ion, pregúntate de qué orbital sale o entra el electrón. Para una diatómica heteronuclear, cuenta los electrones y busca un par isoelectrónico. En el benceno y el ozono, los híbridos sp² construyen el esqueleto σ localizado y los orbitales p sobrantes forman OM π deslocalizados.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Predice el producto 4
Moléculas diatómicas heteronucleares
- Orden de enlace y magnetismo del COPredice el orden de enlace y el magnetismo del monóxido de carbono comparándolo con su compañero isoelectrónico N₂.
Magnetismo e iones diatómicos
- Predice el enlace en el Li₂Predice el orden de enlace y el magnetismo del Li₂ a partir de su configuración de OM de valencia.
- ¿Qué ocurre cuando se ioniza el F₂?Predice cómo cambian la longitud de enlace y el magnetismo del F₂ al quitarle un electrón.
Orbitales enlazantes y antienlazantes
- ¿Puede un orbital s combinarse con un orbital pₓ?Predice, a partir de la simetría de los orbitales, que un orbital s y un orbital p perpendicular en un átomo vecino tienen un solapamiento neto nulo.
Clasificar 5
Sistemas π deslocalizados
- ¿Qué anillo tiene electrones π deslocalizados?Clasifica anillos de seis miembros según si sus electrones π están deslocalizados sobre más de dos átomos.
Moléculas diatómicas heteronucleares
- Encuentra la especie isoelectrónica con el N₂Clasifica especies diatómicas como isoelectrónicas con el N₂ contando electrones de valencia.
Magnetismo e iones diatómicos
- ¿Cuál especie de dioxígeno es diamagnética?Clasifica las especies de dioxígeno como paramagnéticas o diamagnéticas según la ocupación de sus orbitales π*.
Orbitales enlazantes y antienlazantes
- Solapamiento lateral de orbitales 2pClasifica como orbitales π los orbitales moleculares formados por el solapamiento lateral de orbitales p paralelos.
- Describe el orbital σ*1sIdentifica las características de un orbital σ antienlazante formado por dos orbitales 1s.
Comparar 4
Diatómicos de la segunda fila y orden de enlace
- Ordena seis especies según su orden de enlaceOrdena especies diatómicas homonucleares y heteronucleares según el orden de enlace calculado a partir de sus configuraciones de orbitales moleculares.
Sistemas π deslocalizados
- Ordena las longitudes de enlace C–C, incluido el bencenoUbica los enlaces C–C deslocalizados del benceno en un orden de longitud de enlace junto con enlaces simples, dobles y triples localizados.
Magnetismo e iones diatómicos
- Por qué la ionización debilita el N₂ pero refuerza el O₂Compara el efecto de la ionización sobre los enlaces del N₂ y del O₂ a partir del carácter del orbital más alto ocupado de cada molécula.
- Ordena las longitudes de enlace O–O en especies de dioxígenoOrdena O₂⁺, O₂, O₂⁻ y O₂²⁻ por longitud de enlace usando los órdenes de enlace del diagrama de OM.
Calcular 11
Diatómicos de la segunda fila y orden de enlace
- Orden de enlace del ion C₂²⁻Calcula el orden de enlace del ion dicarburo (acetiluro) y relaciónalo con una diatómica isoelectrónica.
- Electrones antienlazantes en el F₂Cuenta los electrones en los orbitales de valencia antienlazantes del F₂ y relaciona el resultado con su enlace sencillo.
- Orden de enlace del N₂ a partir de su diagrama de OMCalcula el orden de enlace del N₂ a partir de su configuración de orbitales moleculares de valencia.
Sistemas π deslocalizados
- Orbitales π ocupados del bencenoCuenta los orbitales moleculares π ocupados del benceno a partir de sus orbitales p y sus electrones π.
- Cuenta los electrones π del ozonoCuenta los electrones del sistema π deslocalizado del ozono restando del total de valencia los electrones de los enlaces σ y de los pares solitarios en el plano.
Orbitales enlazantes y antienlazantes
- ¿Cuántos orbitales moleculares de valencia hay en N₂?Aplica la conservación de orbitales para contar los orbitales moleculares formados a partir de los orbitales de valencia de dos átomos.
- Orden de enlace del H₂⁺Calcula el orden de enlace de un ion diatómico con un solo electrón a partir de su configuración de OM.
Magnetismo e iones diatómicos
- Orden de enlace del N₂⁺Calcula el orden de enlace del N₂⁺ quitando un electrón del orbital ocupado de mayor energía del N₂.
- Orden de enlace del superóxidoCalcula el orden de enlace del ion superóxido añadiendo un electrón al diagrama del O₂.
Moléculas diatómicas heteronucleares
- Electrones desapareados en el NO⁻Cuenta los electrones desapareados del ion NO⁻ aplicando la regla de Hund a sus orbitales π* degenerados.
- Orden de enlace del óxido nítricoCalcula el orden de enlace del óxido nítrico a partir de su recuento de electrones de valencia.
Encuentra el error 4
Orbitales enlazantes y antienlazantes
- ¿Qué salió mal con Be₂?Diagnostica un error en el conteo de electrones que da un orden de enlace incorrecto para Be₂.
- Encuentra el error en un argumento sobre el He₂Diagnostica por qué unos orbitales enlazante y antienlazante llenos hacen que dos átomos se repelan, en lugar de simplemente no enlazarse.
Diatómicos de la segunda fila y orden de enlace
- Detecta el error en un diagrama del O₂Diagnostica un error en la regla de Hund al llenar los orbitales π* degenerados del O₂.
Sistemas π deslocalizados
- Diagnostica un error de hibridación en el ozonoDiagnostica una asignación de hibridación incorrecta que descartaría el sistema π deslocalizado del ozono.
Interpreta la evidencia 4
Diatómicos de la segunda fila y orden de enlace
- Lo que revela el magnetismo del B₂Usa el paramagnetismo observado del B₂ para decidir entre los dos ordenamientos posibles de σ2p y π2p.
- ¿Qué tipo de doble enlace tiene el C₂?Interpreta la configuración de OM del C₂ para identificar qué orbitales aportan su orden de enlace.
- Ordena los OM de valencia del N₂Ordena por energía los orbitales moleculares de valencia del N₂, situando π2p por debajo de σ2p.
Orbitales enlazantes y antienlazantes
- Nombra el orbital a partir de sus nodosIdentifica un orbital molecular diatómico a partir de los planos nodales que se describen.
Trabaja hacia atrás 2
Diatómicos de la segunda fila y orden de enlace
- ¿Qué molécula tiene esta configuración?Trabaja a la inversa desde una configuración de orbitales moleculares de valencia hasta la diatómica homonuclear neutra que describe.
Magnetismo e iones diatómicos
- Identifica un ion de dinitrógeno a partir de sus pistas de OMReconstruye, a partir de un orden de enlace y del carácter del orbital semilleno, el ion de dinitrógeno que describen.
Planea una síntesis 1
- Pon a prueba la predicción del OM para el O₂Elige un experimento que permita comprobar si una sustancia tiene electrones desapareados.
Explica por qué 5
Sistemas π deslocalizados
- Hibridación y OM en el bencenoExplica que los enlaces C–C del benceno sean iguales combinando la hibridación sp² del esqueleto σ con orbitales moleculares π deslocalizados.
Moléculas diatómicas heteronucleares
- Dónde se ubican los orbitales π* del COExplica por qué los orbitales antienlazantes π* del monóxido de carbono se concentran sobre el carbono.
- Por qué el NO se ioniza con tanta facilidadExplica la baja energía de ionización del NO y el enlace más corto del NO⁺ a partir del carácter antienlazante del electrón que se pierde.
Magnetismo e iones diatómicos
- Por qué el oxígeno líquido se pega a un imánExplica el paramagnetismo del O₂ a partir de la ocupación de sus orbitales π*.
Diatómicos de la segunda fila y orden de enlace
- Por qué σ2p y π2p se intercambian en el O₂Explica el cambio en el orden σ2p/π2p entre el N₂ y el O₂ en términos de la mezcla s–p y de la separación energética 2s–2p.
¿Atascado con teoría de orbitales moleculares? Escanea el problema.
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