- Orbitals degenerats d'un àtom aïllat
- orbitals p
- orbitals d
- orbitals f
- Orbitals híbrids degenerats
- referències
Els orbitals degenerats són tots aquells que es troben en un mateix nivell d'energia. D'acord a aquesta definició, han de tenir el mateix nombre quàntic principal n. Així, els orbitals 2s i 2p són degenerats, ja que pertanyen a l'nivell energètic 2. No obstant, se sap que les seves funcions d'ones angulars i radials són diferents.
A mesura que augmenten els valors de n, els electrons comencen a ocupar altres subnivells d'energia, com els orbitals d i f. Cada un d'aquests orbitals tenen les seves pròpies característiques, les quals a primera vista s'observa en les seves formes angulars; aquestes són, les figures esfèriques (s), de manuelles (p), de fulles de trèvols (d) i globulars (f).
Font: Gabriel Bolívar
Entre ells, hi ha una diferència energètica, tot i pertànyer a el mateix nivell n.
Per exemple, en la imatge superior es mostra un esquema d'energia amb els orbitals ocupats per electrons desaparellats (un cas anormal). Es pot veure que de tots el més estable (el de menor energia) és l'orbital ns (1s, 2s,…), mentre que el nf el més inestable (el de major energia).
Orbitals degenerats d'un àtom aïllat
Els orbitals degenerats, amb un mateix valor de n, es troben en una mateixa línia en un esquema energètic. Per aquesta raó les tres franges vermelles que simbolitzen els orbitals p es situen en una mateixa línia; com de la mateixa manera ho fan les franges morades i grogues.
L'esquema de la imatge viola la regla de Hund: s'omplen amb electrons els orbitals de major energia sense aparearlos primer en els de menor energia. A l'aparellar-els electrons, l'orbital perd energia, i exerceix una repulsió electrostàtica major sobre els electrons desaparellats dels altres orbitals.
No obstant això, aquests efectes no es consideren en molts diagrames energètics. Si és així, i obeint la regla de Hund sense omplir completament els orbitals d, es veuria que aquests deixen de ser degenerats.
Com es va dir anteriorment, cada orbital compta amb les seves característiques pròpies. Un àtom aïllat, amb la seva configuració electrònica, té preparat els seus electrons en el nombre precís de orbitals que permetin allotjar-los. Només aquells iguals en energia poden considerar-se com degenerats.
orbitals p
Les tres franges vermelles per als orbitals p degenerats de la imatge assenyalen que tant p x, p i p z posseeixen la mateixa energia. Hi ha un electró desaparellat en cada un, descrit per quatre nombres quàntics (n, l, ml i ms), mentre que els tres primers descriuen als orbitals.
L'única diferència entre ells ve denotada de moment magnètic ml, el qual dibuixa la trajectòria de p x sobre un eix x, p i sobre l'eix i, ip z en l'eix z. Tots tres són iguals, però difereixen únicament en les seves orientacions espacials. Per aquesta raó es dibuixen sempre alineats en energia, és a dir, degenerats.
Com són iguals, un àtom aïllat de nitrogen (amb configuració 1s 2 2s 2 2p 3) ha de mantenir degenerats seus tres orbitals p. No obstant això, l'escenari energètic canvia abruptament si es considera un àtom de N dins d'una molècula o compost químic.
Per què? Perquè si bé p x, p i p z són iguals en energia, aquesta pot variar en cada un d'ells si posseeixen diferents entorns químics; és a dir, si s'enllacen a àtoms diferents.
orbitals d
Són cinc franges morades les que denoten els orbitals d. En un àtom aïllat, fins i tot si tenen electrons aparellats, es consideren que aquests cinc orbitals són degenerats. No obstant això, a l'contrari dels orbitals p, aquesta vegada sí que hi ha una marcada diferència en les seves formes angulars.
Per tant, els seus electrons recorren direccions en l'espai que varien d'un orbital dóna un altre. Això ocasiona, segons la teoria de camp cristal·lí, que una mínima pertorbació ocasioni un desdoblament energètic dels orbitals; és a dir, les cinc franges morades se separen deixant una bretxa energètica entre elles:
Font: Gabriel Bolívar
Quins són els orbitals de dalt i quins els de baix? Els de dalt es simbolitzen com e g, i els de baix t 2g. Cal notar com inicialment totes les franges morades estaven alineades, i ara es va formar un conjunt de dos orbitals i g més energètics que l'altre conjunt de tres orbitals t 2g.
Aquesta teoria permet explicar les transicions dd, a les quals se'ls adjudiquen molts dels colors observats en els compostos dels metalls de transició (Cr, Mn, Fe, etc.). ¿I a què es deu aquesta pertorbació electrònica? A les interaccions de coordinació de centre metàl·lic amb altres molècules denominades lligands.
orbitals f
I amb els orbitals f, les sent franges grogues, la situació es complica encara més. Les seves adreces espacials varien molt entre ells, i la visualització dels seus enllaços es torna massa complexa.
De fet, es considera que els orbitals f són d'una capa tan interna que no "participen apreciablement" en la formació d'enllaços.
Quan l'àtom aïllat amb orbitals f s'envolta d'altres àtoms, comencen les interaccions i passa el desdoblament (la pèrdua de la degeneració):
Font: Gabriel Bolívar
Cal notar que ara les franges grogues formen tres conjunts: t 1 g, t 2g ja 1g, i que ja no són degenerades.
Orbitals híbrids degenerats
S'ha vist que els orbitals es poden desdoblar i perdre la degeneració. No obstant això, encara que això expliqui les transicions electròniques, empal·lideix en l'aclariment de com i per què hi ha diferents geometries moleculars. És aquí llavors on entren els orbitals híbrids.
Quina és la seva principal característiques? Que són degenerats. Així, sorgeixen de la barreja de caràcters d'orbitals s, p, dif, per originar híbrids degenerats.
Per exemple, tres orbitals p es barregen amb un s per fer quatre orbitals sp 3. Tots els orbitals sp 3 són degenerats, i per tant tenen la mateixa energia.
Si addicionalment es barregen dos orbitals d amb els quatre sp 3, s'obtindrà 6 orbitals sp 3 d 2.
I com expliquen les geometries moleculars? Com són sis, amb iguals energies, deuen per tant orientar simètricament en l'espai per generar entorns químics iguals (per exemple, en un compost MF 6).
Quan ho fan, es forma un octaedre de coordinació, el que és igual a una geometria octaèdrica entorn a un centre (M).
No obstant això, les geometries solen presentar distorsions, el que significa que realment ni tan sols els orbitals híbrids són completament degenerats. Per tant, a manera de conclusió, els orbitals degenerats només existeixen en àtoms aïllats o en entorns altament simètrics.
referències
- Chemicool Dictionary. (2017). Definition of Degenerate. Recuperat de: chemicool.com
- SparkNotes LLC. (2018). Atoms and Atomic Orbitals. Recuperat de: sparknotes.com
- Pura Química. (Sf). Configuració Electrònica. Recuperat de: es-puraquimica.weebly.com
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
- Moreno R. Esparza. (2009). Curs de química de coordinació: Camps i orbitals.. Recuperat de: depa.fquim.unam.mx
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.