Chimica Generale: Teoria degli Orbitali Molecolari

Il metodo LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals) è un metodo che descrive gli orbitali molecolari (MO) come combinazioni lineari di orbitali atomici (AO). Questo metodo è utilizzato per approssimare gli MO esatti e ottenere una buona descrizione della struttura elettronica delle molecole.

I coefficienti di combinazione lineare (CA e CB) per il metodo LCAO sono gli stessi quando i nuclei di una molecola biatomica sono identici.

La densità di probabilità elettronica per uno stato non interagente è data dalla somma delle densità di probabilità elettroniche degli atomi individuali, mentre in un sistema interagente, la densità di probabilità è data dalla combinazione lineare degli orbitali atomici.

La densità di probabilità elettronica ottenuta con l'approssimazione LCAO è qualitativamente in accordo con le funzioni d'onda esatte per gli MO di H2+, dimostrando l'accuratezza del metodo.

Il metodo LCAO usa un diagramma di correlazione per descrivere l'energia potenziale degli orbitali molecolari ed è in grado di rappresentare accuratamente gli andamenti dell'energia potenziale effettiva nello ione H2+.

Un'approssimazione che considera i nuclei atomici come fissi e gli elettroni come particelle in movimento. Questo semplifica il calcolo dell'energia del sistema.

L'energia del legame chimico nel diidrogeno molecolare aumenta man mano che la distanza tra i nuclei si riduce, fino a raggiungere un minimo, dopo il quale l'energia aumenta di nuovo. Questo grafico rappresenta la relazione tra la distanza internucleare e l'energia del legame.

La funzione d'onda è una descrizione matematica del comportamento degli elettroni nell'atomo. In H2+, la funzione d'onda dipende dalle coordinate di entrambi gli elettroni e dalla distanza tra i nuclei.

L'equazione di Schrödinger è un'equazione matematica che descrive il comportamento di particelle quantistiche, come gli elettroni. La soluzione dell'equazione di Schrödinger fornisce la funzione d'onda e l'energia dell'elettrone.

Gli elettroni possono solo occupare livelli di energia discreti, ovvero valori specifici dettati dall'equazione di Schrödinger. Queste soluzioni sono rappresentate graficamente tramite la funzione d'onda.

La teoria degli orbitali molecolari descrive le molecole come un insieme di nuclei positivi circondati da elettroni che occupano una serie di orbitali molecolari con diversi livelli energetici.

La teoria del legame di valenza descrive la formazione dei legami come risultato dell'interazione tra gli orbitali atomici degli atomi che si legano.

L'energia potenziale diminuisce quando due atomi si avvicinano e gli elettroni di valenza risentono dell'attrazione di entrambi i nuclei, formando un legame.

La teoria VSEPR spiega la geometria delle molecole basandosi sulla repulsione tra i domini di elettroni. Tuttavia, non spiega perché si formano i legami.

La teoria MO e la teoria VB forniscono spiegazioni diverse del legame covalente, ma sono complementari e si integrano per dare una comprensione più completa del legame chimico.

L'orbitale molecolare è un'area nello spazio dove è più probabile trovare un elettrone in una molecola. Gli orbitali molecolari sono creati dalla combinazione di orbitali atomici.

La teoria del legame di valenza prevede che gli orbitali atomici si sovrappongano per formare orbitali ibridi, che si legano ad altri atomi per formare un legame covalente.

Il legame covalente è un legame chimico in cui due atomi condividono una o più coppie di elettroni.

Un orbitale molecolare legante (MO) è un orbitale atomico che si sovrappone ad un altro orbitale atomico, creando un legame chimico. Questo porta ad una maggiore densità elettronica tra i nuclei atomici, stabilizzando la molecola.

Un orbitale molecolare anti-legante (MO) è un orbitale atomico che si sovrappone ad un altro orbitale atomico con una fase opposta, creando una regione di bassa densità elettronica tra i nuclei atomici. Questo destabilizza la molecola.

L'energia di un MO legante è inferiore al suo equivalente atomico, quindi un elettrone in un MO legante è più stabile.

L'energia di un MO anti-legante è superiore al suo equivalente atomico, quindi un elettrone in un MO anti-legante è meno stabile.

Gli orbitali molecolari sigma (σ) hanno una simmetria cilindrica. La densità elettronica è simmetrica rispetto all'asse internucleare.

Gli orbitali molecolari pi (π) hanno un nodo che contiene l'asse internucleare. La densità elettronica è concentrata lontano dall'asse.

Gli orbitali molecolari possono essere classificati in base alla loro simmetria e al numero di nodi. In base alla simmetria, si distinguono in sigma (σ) e pi (π). In base al numero di nodi, si distinguono in leganti e anti-leganti.

L'ordine di legame è un valore che indica la forza di un legame chimico. Si calcola come la metà della differenza tra il numero di elettroni di legame e il numero di elettroni antileganti.

Gli orbitali atomici (AO) di atomi diversi si combinano linearmente per formare orbitali molecolari (MO). Questa combinazione può essere di due tipi: legante, che porta a una diminuzione dell'energia, o antilegante, che porta a un aumento dell'energia.

Negli orbitali atomici leganti, gli elettroni si concentrano tra i nuclei, aumentando la densità elettronica e quindi la forza del legame. Negli orbitali atomici antileganti, gli elettroni si concentrano lontano dai nuclei, diminuendo la densità elettronica e indebolendo il legame.

Molecole biatomiche eteronucleari sono molecole composte da due atomi diversi. L'ordine di legame in questi casi può essere calcolato in modo analogo a quello per le molecole biatomiche omonucleari, tenendo conto della diversa elettronegatività degli atomi.

La teoria degli orbitali molecolari (MO) offre un'interpretazione quantistica dei legami chimici nelle molecole. Il metodo LCAO è uno strumento fondamentale per la costruzione di orbitali molecolari e per la predizione delle proprietà chimiche delle molecole.

Quando gli AO si sovrappongono, si crea un'attrazione tra i nuclei degli atomi e gli elettroni. Questa interazione porta alla formazione di elettroni di legame. I MO leganti sono caratterizzati da un'aumentata densità elettronica tra i nuclei.

Quando gli AO si sovrappongono in fase opposta, si crea un nodo di densità elettronica tra i nuclei. I MO anti-leganti sono meno stabili rispetto agli AO di partenza.

Quando gli AO si sovrappongono, si crea un'attrazione tra i nuclei degli atomi e gli elettroni. Questa interazione porta alla formazione di elettroni di legame. I MO leganti sono caratterizzati da un'aumentata densità elettronica tra i nuclei.

Per ottenere un legame, gli atomi devono avere orbitali atomici con livelli di energia simili. In questo modo gli elettroni possono facilmente spostarsi da un atomo all'altro.

La probabilità che due AO interagiscano per formare un legame dipende dalla loro sovrapposizione spaziale. Una maggiore sovrapposizione favorisce la formazione di un legame.

Durante la formazione di MO, seguiamo le regole di Hund e il principio di esclusione di Pauli. Questo garantisce che gli elettroni siano distribuiti nei MO in modo da minimizzare l'energia.

Le molecole biatomiche sono formate da due atomi dello stesso elemento. Gli orbitali molecolari vengono riempiti secondo l'ordine di energia crescente.

In Li2, la configurazione elettronica è (1s)2(*1s)2(2s)2. Si formerà un legame covalente, con due elettroni negli orbitali leganti.

In Be2, la configurazione elettronica è (g1s)2(u1s)2(g2s)2(u2s)2. Gli elettroni leganti e anti-leganti si cancellano, e non si forma un legame.

In N2, la configurazione elettronica è (2s)2(*2s)2(2pz)2(π2px)²(π2py)². Si ha un triplo legame covalente molto forte, con tre coppie di elettroni negli orbitali leganti.

In O2, la configurazione elettronica è (2s)2(*2s)2(2pz)2(π2px)²(π2py)¹. Si ha un doppio legame covalente e due elettroni spaiati nell'orbitale π2py, rendendo O2 paramagnetico.

La conoscenza della configurazione elettronica di una molecola permette di prevedere la forza del legame (ordine di legame) e il suo comportamento magnetico.