¿Cómo la teoría del enlace de valencia no es capaz de explicar el paramagnetismo en el oxígeno?

Answer 1

O2 es paramagnético con electrones no pareados.

La teoría del enlace de valencia predice que todos los electrones en el oxígeno diatómico están emparejados por rotación, lo que hace que el O2 sea diamagnético. Sin embargo, sabemos que el oxígeno diatómico es paramagnético. Esto significa que los electrones no están emparejados por espín.

Si aplicamos la teoría del enlace de valencia, cada oxígeno en O2 se ve así:

2p e- / e- e- e (recuerda que los electrones, cuando están emparejados, giran en direcciones opuestas y se dibujan como flechas que apuntan hacia arriba / abajo)

2s e- / e-

1s _e- / e- (normalmente no se muestra porque solo se consideran los electrones de valencia)

Esto se debe a que el oxígeno tiene el número atómico 8 y, por lo tanto, tiene 6 electrones de valencia (los otros 2 están en la primera capa del átomo). El shell 1s representa este primer shell. El segundo shell incluye uno “s” y 3 orbitales “p”. Los orbitales s deben llenarse primero con electrones de par de giro y luego los que quedan se utilizan para llenar los orbitales 3 p. Comenzamos poniendo un electrón en cada uno de los orbitales p. Esto usa tres de los cuatro electrones que aún tenemos que colocar. El último se convierte en par apareado con el electrón en el primer orbital p para llenar ese orbital. Los otros dos orbitales p contienen electrones no pareados.

Usando la teoría del enlace de valencia, predecirías que dado que cada oxígeno tiene esos 2 electrones no apareados en sus orbitales p, los dos oxígenos formarían un enlace covalente (doble) y cada uno compartiría sus dos electrones no apareados para llenar sus orbitales p no dejando electrones no emparejados y haciendo O2 diamagnético. Este no es el caso, por supuesto.

Uno debe aplicar la “ teoría orbital molecular” para entender por qué. Esto va un paso más allá de la teoría del enlace de valencia.

Sabemos que con O2 tenemos cuatro electrones totales en los orbitales “2s” (2 de cada oxígeno). Estos electrones van a formar algo que se llama enlaces sigma. Cuando diagramas orbitales moleculares, hay dos orbitales de enlace y antienlazantes que deben dibujarse. Estos 4 “2s” electrones se dividirán en 1 orbital sigma de enlace (2 electrones) y 1 orbital sigma de enlace (2 electrones).

Luego pasamos a los orbitales “2p”. Cada oxígeno tiene 4 electrones “2p”. Estos electrones van a entrar en enlaces sigma y pi. Cuando hace un diagrama de esto, tiene dos orbitales de enlace pi y un orbital de enlace sigma y luego la energía más alta correspondiente (rellenada después de orbitales de enlace de baja energía) orbitales antienlazantes pi (2) y un orbital sigma antienlazante.

Nuevamente, usas los electrones “2p” de ambos oxígenos para llenar estos orbitales moleculares. Empieza por usar 4 de los 8 “2p” electrones para llenar los dos orbitales pi de enlace y luego 2 más para llenar el orbital sigma de enlace. Esto deja 2 electrones. Se agregan a los orbitales pi antienvejecedores de mayor energía (los verás como estrella pi).

Se agrega un electrón a cada orbital pi, por lo que hay 2 electrones no pareados en los orbitales pi antienlazantes.

Aquí es de donde viene el comportamiento paramagnético del O2. Mientras que la teoría del enlace de valencia predice que todos los electrones se emparejarán, usando la teoría de los orbitales moleculares, se puede ver que hay electrones no emparejados que hacen que el O2 sea paramagnético.

Answer 2

El paramagnetismo es una forma de magnetismo por el cual ciertos materiales son atraídos por un campo magnético aplicado externamente. La teoría del enlace de valencia (VBT) y la hibridación en realidad no hacen un buen trabajo al predecir si una molécula es paramagnética o diamagnética (no es atraída por un campo magnético externo). Esta es la razón por la que la teoría orbital molecular (MOT) es tan útil como exitosa para predecir si una molécula es paramagnética.

Para que una molécula sea paramagnética, debe tener un momento magnético general, lo que significa que necesita un electrón no pareado. Si todos los electrones están emparejados, entonces la molécula es diamagnética. Entonces, al ver si una molécula tiene un electrón no pareado, podemos predecir si es paramagnética o no.

Ahora consideremos el ejemplo de O2 [math] OX2 [/ math]. Experimentalmente, O2 [math] OX2 [/ math] es conocido como paramagnético. Según VBT, O2 [math] OX2 [/ math] debería tener este aspecto:

Como puedes ver, todos los electrones están emparejados. Por lo tanto, VBT predice que O2 [math] OX2 [/ math] debería ser diamagnético.

Ahora examinemos cómo están ordenados los electrones de acuerdo con MOT. En MOT, a diferencia de VBT, se trata de la creación de OM de enlace y anti-enlace. Las MO son básicamente la suposición de las funciones de onda de los orbitales atómicos. En O2 [math] OX2 [/ math] los 2s AOs de cada átomo de oxígeno se superponen constructivamente y destructivamente, mientras que sus 2p AOs también se superponen constructivamente y destructivamente entre sí. Las MO resultantes para O2 [math] OX2 [/ math] se ve Me gusta esto:

Ahora que tenemos las MO, todo lo que tenemos que hacer es llenarlos con electrones usando el mismo método que usamos para los AO. Al hacer eso obtenemos:

Tenga en cuenta que tenemos 2 electrones no pareados. Por lo tanto, MOT correctamente predice que O2 [math] OX2 [/ math] debería ser paramagnético, a diferencia de VBT que predice que O2 [math] OX2 [/ math] es diamagnético.

Espero que esta información explique.