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Teoría del Orbital Molecular para Compuestos de Coordinación
La teoría del orbital molecular (TOM) es una forma de entender la estructura electrónica de las moléculas. Es particularmente útil para los compuestos de coordinación, que son complejos formados entre iones metálicos y ligandos. En esta larga explicación, veremos cómo se aplica la TOM a los compuestos de coordinación, centrándonos en cómo se forman los orbitales moleculares y cómo determinan las propiedades y el comportamiento de estos compuestos.
Entendiendo la teoría del orbital molecular
La teoría del orbital molecular sostiene que los orbitales atómicos se combinan para formar orbitales moleculares, que se extienden por toda la molécula. Los electrones en estos orbitales están deslocalizados, lo que significa que no están confinados al espacio alrededor de un solo átomo, sino que pertenecen a toda la molécula.
En una molécula simple como H 2, los orbitales atómicos de los dos átomos de hidrógeno se combinan para formar un par de orbitales moleculares: uno de enlace y uno de restricción. El orbital molecular de enlace es más bajo en energía y es donde los electrones de la molécula prefieren estar.
Compuestos de coordinación y ligandos
Los compuestos de coordinación contienen un átomo o ion metálico central rodeado por moléculas o iones llamados ligandos. Los ligandos son donadores de pares de electrones y se coordinan con el metal, formando complejos como [Fe(CN) 6 ] 4− o [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+.
La teoría del orbital molecular puede explicar el enlace en estos complejos considerando las interacciones entre los orbitales atómicos del metal y los orbitales del ligando. Combinaciones infinitas de estos orbitales atómicos forman innumerables orbitales moleculares.
Ejemplo visual de interacciones de orbitales:
En este ejemplo, los orbitales d xy, p x, y p y de un metal interactúan con ligandos para formar un orbital molecular (MO) colectivo.
Construcción de orbitales moleculares en compuestos de coordinación
En los compuestos de coordinación, la interacción metal-ligando es central para la formación de orbitales moleculares. Típicamente, este proceso se puede pensar en pasos:
1. Orbitales atómicos de metal y ligando
El metal en el centro del compuesto de coordinación tiene orbitales vacíos que pueden aceptar electrones. Estos típicamente incluyen orbitales d, s y p. Al interactuar con los ligandos, estos se combinarán para formar orbitales moleculares con diferentes niveles de energía.
2. Combinación y solapamiento con orbitales de ligandos
Los orbitales atómicos en el ligando, que usualmente son orbitales de pares solitarios en átomos como nitrógeno u oxígeno, se solaparán con los orbitales del centro metálico, creando orbitales moleculares de enlace y de restricción.
3. Llenado de orbitales moleculares
Los electrones del metal y del ligando llenan estos nuevos orbitales moleculares creados, comenzando desde el nivel de energía más bajo, tal como los electrones llenan los orbitales atómicos. El llenado de estos orbitales moleculares determina la configuración electrónica del complejo.
Ejemplo: complejo de coordinación octaédrica
Considere un complejo octaédrico, uno de los tipos más comunes de compuestos de coordinación. En un complejo octaédrico, el metal está rodeado por seis ligandos dispuestos en las esquinas de un octaedro.
El enlace en tal complejo se puede caracterizar observando la interacción de los orbitales d del metal con los orbitales del ligando.
Observando el ejemplo anterior, vemos que los orbitales d z² y d x²-y² del metal formarán enlaces sigma con los orbitales del ligando porque tienen una orientación perpendicular con el eje que conecta el metal con los ligandos. Otros orbitales d como d xy, d yz, y d xz formarán enlaces pi.
El diagrama de niveles de energía muestra cómo se forman los orbitales moleculares con diferentes niveles de energía, representados por σ, π, y δ.
Modificaciones de los niveles de energía: teoría del campo cristalino
Si bien la teoría del orbital molecular explica las interacciones de enlace en un sentido cualitativo, la teoría del campo cristalino (TCC) proporciona una imagen más detallada de la distribución electrónica al tener en cuenta los efectos del campo eléctrico del ligando sobre los orbitales d del metal. Aunque es una teoría semicuantitativa, la TCC todavía influye en la comprensión dentro del ámbito de la teoría del orbital molecular.
La TCC introduce la idea de la división del orbital d, donde la distorsión de los orbitales d en el ion libre se elimina por la presencia de ligandos de coordinación.
Ejemplo: división de niveles de energía en un complejo octaédrico
El diagrama de niveles de energía divide los orbitales d en un campo octaédrico en orbitales t 2g y e g, con la división en energía representada por Δ o. Este es un factor importante para determinar el color y el magnetismo de los compuestos de coordinación.
Teoría del campo de ligandos
La teoría del campo de ligandos (TCL) es una aplicación más avanzada que combina principios de la teoría del orbital molecular y la teoría del campo cristalino. Considera el efecto de los orbitales del ligando en el enlace y es particularmente útil para entender las transiciones electrónicas.
En el contexto de la teoría del orbital molecular, la TCL refina la comprensión de cómo los ligandos contribuyen a la densidad electrónica en los orbitales d de los metales y afectan propiedades como los espectros electrónicos y las propiedades magnéticas.
Concepto de hibridación
Al hablar de complejos de coordinación, otro nivel a considerar es la hibridación. La hibridación proporciona un modelo para entender la geometría y los ángulos de enlace en complejos:
Ilustración de la hibridación sp 3, donde se combinan un orbital s y tres orbitales p, lo que afecta la geometría del complejo y explica su forma tetraédrica.
Factores que afectan la formación de orbitales moleculares en complejos
Varios factores influyen en la formación y distribución de orbitales moleculares en compuestos de coordinación:
- Naturaleza del Metal: Los orbitales atómicos disponibles en el metal y sus energías relativas son importantes para determinar la estructura del orbital molecular. Los metales de transición, debido a sus orbitales
d, exhiben interacciones de TOM más complejas que los metales del grupo principal. - Tipos de Ligandos: Los ligandos pueden clasificarse según la fuerza de su campo (por ejemplo, los ligandos de campo fuerte como
CN -resultan en grandes energías de división). - Geometría: La disposición espacial determina cómo los orbitales se solapan e hibridizan, lo que a su vez afecta el diagrama de orbitales moleculares.
Conclusión
Entender la teoría del orbital molecular en compuestos de coordinación proporciona información sobre su química y propiedades. Proporciona una imagen detallada de cómo las complejas interacciones entre metales y ligandos determinan la estructura electrónica. Al combinar esta comprensión con datos experimentales y teorías complementarias, como la teoría del campo cristalino y la teoría del campo de ligandos, los químicos pueden predecir el comportamiento físico y químico, ayudando así en el diseño y uso de tales compuestos en una variedad de aplicaciones.
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