Teoría de Orbitales Moleculares: Comprendiendo la Interacción Atómica y su Aplicación en Química

Teoría de Orbitales Moleculares (TOM)

La Teoría de Orbitales Moleculares (TOM) se diferencia de otras teorías en que los orbitales atómicos (OA) interaccionan entre sí para formar unos nuevos orbitales moleculares (OM), que pertenecen a toda la molécula. Esta teoría plantea que cuando los átomos se acercan lo suficiente, sus OA se combinan linealmente formando orbitales moleculares que pertenecen a toda la molécula. Los orbitales moleculares resultantes son el resultado de interferencias constructivas o destructivas entre los orbitales atómicos.

1. Orbitales enlazantes y antienlazantes

La combinación constructiva de los OA genera orbitales enlazantes, donde la probabilidad de encontrar electrones entre los núcleos es alta, lo que estabiliza la molécula (baja energía). La combinación destructiva da lugar a orbitales antienlazantes, que aumentan la energía del sistema al ubicar la densidad electrónica fuera del eje de los núcleos. Estos orbitales tienen una menor probabilidad de encontrar electrones entre los núcleos y, por tanto, tienden a desestabilizar la molécula.

2. Orden de enlace

El orden de enlace se calcula como la mitad de la diferencia entre el número de electrones en orbitales enlazantes y el número en orbitales antienlazantes.

3. Moléculas diatómicas

Homonucleares

En moléculas como el oxígeno y el nitrógeno, los orbitales moleculares se forman a partir de la combinación de orbitales atómicos de cada átomo. Los diagramas de OM presentan niveles de energía específicos donde se acomodan los electrones según el principio de Aufbau y la regla de Hund, similar a la configuración en átomos individuales. En el oxígeno, por ejemplo, la configuración de orbitales genera un orden de enlace que explica su estabilidad y comportamiento paramagnético.

Heteronucleares

Para moléculas con átomos diferentes, como HF o CO, la teoría indica que los OM tienden a parecerse más al orbital del átomo con mayor electronegatividad. Esto provoca una distribución asimétrica de la densidad electrónica, explicando la polaridad de las moléculas. En estos casos, los orbitales moleculares resultantes tienen energías y densidades electrónicas que están desplazadas hacia el átomo más electronegativo.

4. Orbitales frontera: HOMO y LUMO

La TOM también identifica los orbitales moleculares frontera: el HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) y el LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Estos orbitales son esenciales en la reactividad química, ya que el HOMO representa el nivel más alto ocupado y, por tanto, más propenso a ceder electrones, mientras que el LUMO puede aceptar electrones, actuando como receptor.

5. Aplicaciones prácticas y relevancia en química

La TOM es útil para entender fenómenos como la resonancia, la estabilidad de enlaces en sistemas conjugados y la reactividad en compuestos orgánicos e inorgánicos. La presencia de dobles enlaces conjugados y los sistemas de OM permiten comprender la absorción de luz y la fluorescencia en compuestos con electrones deslocalizados, como el benceno y el grafeno, aplicables en materiales electrónicos y en química biológica.