El comportamiento de los electrones en una molécula se describe mediante las mismas leyes de la mecánica cuántica que describen el comportamiento de los electrones en los átomos y en los sólidos. La teoría orbital molecular resuelve las ecuaciones mecánicas cuánticas para encontrar los niveles de energía de los electrones y su distribución espacial en la molécula.
Si ha tomado la mecánica cuántica y trabajado a través de los valores propios y las funciones propias del átomo de hidrógeno, entonces la extensión a las moléculas es relativamente sencilla. De lo contrario, el resto de esta explicación será mucho más fácil de entender después de haber tomado un primer curso en mecánica cuántica.
Al igual que en los átomos y los sólidos, las posibles distribuciones de los electrones se describen mediante funciones propias (funciones que resuelven el problema de valores propios ). Al igual que en los átomos y los sólidos, las diferentes funciones propias tienen diferentes energías ( valores propios ) y los electrones ocupan los niveles de energía más bajos primero. Las funciones propias son distribuciones espaciales de números complejos. Al igual que en los átomos y las moléculas, las probabilidades espaciales de encontrar electrones en un moleucle se encuentran al cuadrar y agregar las funciones propias ocupadas.
Los electrones son atraídos a los diferentes núcleos atómicos en la molécula y son repelidos por otros electrones en la molécula. También hay interacciones mecánicas cuánticas complejas entre los electrones, llamadas intercambio y correlación. Para todas las moléculas, excepto la molécula de iones de hidrógeno (dos núcleos de hidrógeno y solo un electrón), los valores propios y los vectores propios se deben encontrar numéricamente, es decir, utilizando una computadora para resolver las ecuaciones de la mecánica cuántica.
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Pero el comportamiento cualitativo de los electrones en moléculas simples a menudo puede estimarse imaginando que los orbitales atómicos cambian a medida que los átomos se unen para formar una molécula. Así que dos s-orbitales atómicos pueden fusionarse para formar enlaces sigma, del tipo que a menudo se muestra en los textos de química de la escuela secundaria. Y los p-orbitales atómicos pueden interactuar para formar enlaces sigma o enlaces pi, dependiendo de cómo se alinean en la molécula. Los cálculos detallados generalmente producen resultados que parecen imágenes simples, pero más precisos. Y los cálculos detallados se pueden utilizar para moléculas grandes con formas complejas, donde las visualizaciones simples fallan.
Más allá de las moléculas más simples, los objetivos de los cálculos de MO incluyen
- Determinación de la configuración de equilibrio (energía más baja) de los átomos en la molécula, incluidas las longitudes de enlace
- Determinación de las energías vibratorias y rotacionales de las moléculas excitadas.
- Comprender y predecir cómo reaccionan las diferentes moléculas, incluso cómo los medicamentos curan enfermedades y / o causan efectos secundarios
Este es un campo muy grande. Es un área de especialización en la que algunos químicos dedican toda su carrera a explorar y desarrollar. Puede aprender más del artículo de Wikipedia, Orbital molecular, aún más de sus referencias, y más de un curso de posgrado en los métodos detallados de los cálculos de MO. Y se puede aprender mucho más trabajando en el campo y / o leyendo documentos que publican cálculos para diferentes tipos de moléculas.
Espero que esto ayude. Si tiene preguntas más específicas, por favor publíquelas.