Orbitali molecolari - Teoria

In questo appunto viene affrontata la teoria degli orbitali molecolari, e dunque la teoria atomica di Schroedinger grazie a cui è stato possibile andare a comprendere appieno il posizionamento degli atomi nello spazio e la loro configurazione elettronica secondo questa sua teoria.

Teoria degli Orbitali Molecolari

La teoria degli orbitali molecolari ha come scopo quello di definire la dislocazione elettronica nel momento in cui gli atomi si fondono nel formare molecole.

In particolare, secondo la teoria degli orbitali molecolari "la combinazione di orbitali atomici differenti va a formare orbitali atomici tali che i loro elettroni appartengano all'intera molecola".
Quindi, secondo questa teoria, quando due atomi vengono posto vicini per formare una molecola, non sono lo solo gli elettroni di valenza che si fondono, ma tutti gli elettroni di cui gli atomi sono formati si rimescolano per dare luogo ad un numero di orbitali molecolari pari alla somma degli orbitali atomici degli atomi di partenza.
La molecola quindi risulta un'entità completamente diversa dall'atomo singolo, perchè è assemblata a partire da tutti gli elettroni che formano gli atomi di origine.

Il paramagnetismo dell'ossigeno

La teoria ha molta importanza, perchè rispetto alla teoria degli orbitali di valenza riesce a spiegare il paramagnetismo dell'ossigeno.
Infatti da studi condotti sulla molecola di ossigeno, risulta che in essa vi siano degli elettroni spaiati che conferisco un carattere paramagnetico.
Secondo la teoria degli orbitali di valenza la molecola di

è diamagnetica, mentre secondo la teoria degli orbitali molecolari la molecola risulta realmente paramagnetica.
Quindi ne consegue che tale teoria fornisce una visione molto realista di ciò che accade al momento della formazione di un legame.

Concetti di base della teoria degli orbitali molecolari

Il pilastro della teoria degli orbitali molecolari che ha rivoluzionato il mondo sta nel concetto stesso di orbitale.
Infatti, l'orbitale atomico è il risultato dell'equazione di una funzione d'onda che ha significato solo se in esso sono presenti elettroni. Allo stesso modo l'orbitale molecolare è il risultato della somma di due funzioni d'onda.
Tuttavia, le onde possono interagire in maniera costruttiva o distruttiva.
Ne consegue che gli orbitali potranno combinarsi in differenti maniere, riportate qui di seguito:

• In fase formando un orbitale di legame;
• In opposizione di fase, formando un orbitale di anti-legame.

La formazione di questi due orbitali è completamente diversa. Infatti, l'orbitale di antilegame è a più alta energia degli atomi singoli ed è caratterizzato da un piano nodale in cui la probabilità di trovare elettroni è pari a zero, l'orbitale di legame invece si trova a più bassa energia rispetto agli atomi singoli e in esso è massima la probabilità di trovare gli elettroni.
In linea generale, quindi, secondo la teoria degli orbitali molecolari la sovrapposizione di due orbitali atomici genera sempre due orbitali molecolari di cui uno sigma (legante) e uno sigma * (antilegante).
(* indica l'orbitale di antilegame, i due orbitali hanno infatti lo stesso nome, e come simbolo la stessa lettera dell'alfabeto greco. Ciò che li distingue è proprio l'asterisco).
Dalla sovrapposizione di "n" orbitali atomici derivano "n" orbitali molecolari, che verranno riempiti secondo le regole della configurazione elettronica.
Si riempiranno dunque tutti gli orbitali a più bassa energia (Orbitali sigma di legame),prima con un elettrone e poi con il suo elettrone a spin antiparallelo per un massimo di due elettroni per orbitale, per orbitali degeneri si prosegue prima a porre gli elettroni paralleli, e poi si continua con gli elettroni antiparalleli, fino a completare la valenza.
La teoria degli orbitali molecolari infine ci da un valido aiuto nel prevedere l'esistenza della molecola. Infatti, le molecole esistono solo se possono essere stabili,in quanto la formazione di uno stato legato prevede che vi sia uno stato a minore energia. In conformità a tale concetto, una molecola esistente deve contenere la maggior parte dei suoi elettroni negli orbitali di legame sigma, e meno elettroni negli orbitali di antilegame.
La previsione viene fatta, quindi, stabilendo l'ordine di legame che è definito dalla relazione.

Un O.D.L pari a 0 indica che la molecola non esiste.

Definizioni fondamentali della teoria degli orbitali molecolari

Si definisce dunque il concetto di Orbita(meccanica classica) come quell'entità definita da un’equazione che ne determina completamente il tipo e la rappresentazione geometrica nello spazio.
Si definisce il concetto di orbitale(meccanica quantistica) come quell'entità definita da un’equazione matematica complicata.
E’ possibile risolvere in modo rigoroso l’equazione d’onda solo per l’atomo di idrogeno.
Lo stato dell’elettrone nell’atomo è descritto da uno degli infiniti orbitali L’orbitale è lo spazio in cui è più probabile trovare l’elettrone.

La teoria di Schroedinger

Modello di Schroedinger dell’atomo di idrogeno e le funzioni d’onda è la base dunque della teoria degli orbitali molecolari.
Il comportamento dell’elettrone può essere descritto come un’onda stazionaria.
All’elettrone sono permesse solo alcune funzioni d’onda; ad ogni funzione d’onda è associata una certa quantità di energia.
Il quadrato della funzione d’onda è correlato alla probabilità di trovare l’elettrone in una data regione di spazio . Questa probabilità è detta densità elettronica poiché rappresenta la densità di probabilità di trovare un elettrone in un dato elemento di volume.
La teoria di Schroendinger definisce con precisione l’energia di un elettrone. In base al principio di Heisenberg per questo motivo è possibile parlare solo di probabilità di trovare un elettrone in una data regione di spazio.

Il gatto di Schroedinger

Il paradosso del gatto di Shroedinger è di uso comune in molte battute su sfondo fisico. Dietro queste battute però si cela una profonda verità fisica.
Shroedinger , per far capire a colleghi e studenti la «portata» inquietante di questa rivoluzione scientifica, che prevede l’indeterminabilità di un evento particellare, ideò un esperimento concettuale (irrealizzabile praticamente ). Si consideri un gatto dentro una scatola dove all'interno vi è una fiala di Arsenico, e si chiuda la scatola. Fin quando la scatola non verrà riaperta non sapremo mai se il gatto ha, o meno, preso la fiala, portando così alla sua stessa morte. Dunque contemporaneamente, il gatto può essere sia vivo che morto allo stesso tempo. Questo è il paradosso, e questa è l'indeterminabità particellare.

Per ulteriori approfondimenti sull'equazione d'onda e i numeri quantici, vedi qui
Per ulteriori approfondimenti sull'equazione di Schroedinger, vedi qui