Cosa sono gli orbitali molecolari e come si individuano? Per conoscere questi e molti altri profili ai fini del superamento dei Test d’ingresso abbiamo selezionato 5 cose da studiare per essere preparati al meglio.
1. Cosa sono gli orbitali molecolari?
Nella chimica quantistica si definiscono orbitali molecolari le distribuzioni spaziali degli elettroni all’interno della molecola. In particolare, l’orbita dell’elettrone viene rappresentata da una funzione d’onda, al cui interno viene quantificata la probabilità di individuare un elettrone. Il calcolo in questione è approssimativo, essendo particolarmente difficile riuscire a stabilire con esattezza la posizione dell’onda descritta dall’elettrone nel suo vagare intorno al nucleo molecolare.
2. La sovrapposizione degli orbitali atomici
Come anticipato, l’orbitale molecolare è la descrizione della circolazione che gli elettroni compiono rispetto ai due o più atomi che risultano uniti dal legame covalente a formare il nucleo della molecola. E’ per questo che gli orbitali molecolari vengono calcolati come prodotto della sovrapposizione di due o più orbitali atomici. Questa può avvenire secondo diversi paradigmi:
- quando la sovrapposizione si verifica lungo la linea che congiunge i due (o più) nuclei degli atomi che compongono la molecola, si parla di orbitali σ (sigma);
- nel caso in cui, invece, la sovrapposizione è di tipo perpendicolare rispetto all’asse di unione dei nuclei, oppure superiore a questi ultimi, si parla di orbitali molecolari π (pi greco).
3. Il calcolo degli orbitali molecolari
Si è detto prima che l’esatta quantificazione della funzione d’onda che descrive il moto orbitale degli elettroni molecolari è estremamente complessa, se non impossibile. Per questo, la possibilità più accettabile di calcolare questa funzione è quella di approssimare il risultato, combinando linearmente gli orbitali atomici da cui derivano quelli molecolari per sovrapposizione. Si parla, in questo caso, di metodo LCAO (linear combination of atomic orbitals).
La legge matematica alla base di questo calcolo prevede che nel momento in cui avviene la sovrapposizione di due orbitali atomici, il prodotto è quello di due orbitali molecolari, di cui uno (detto “legante”) a bassa energia, il cui valore è pari alla somma delle funzioni d’onda degli orbitali atomici; l’altro (detto “antilegante”), invece, è ad alta energia ed è pari alla differenza delle funzioni d’onda degli orbitali base.
4. Un esempio del calcolo
Volendo esemplificare l’applicazione del metodo LCAO appena descritto, si prenda ad esempio la struttura del fluoruro di idrogeno (HF). Bisogna partire dalla configurazione elettronica dei vari atomi componenti, che sarà:
- per H: 1s1;
- per F: 1s2, 2s2, 2p2x, 2p2y, 2p1z.
Le possibili sovrapposizioni lineari si riducono unicamente alla coppia 1s dell’idrogeno e 2s, 2px del fluoro. Questi valori devono poi essere sottoposti all’equazione di Schroedinger, riassumibile nella seguente formula: ψ = c1φ1s(H) + c2φ2s(F) + c3φ2px(F).
Il risultato è di tre orbitali molecolari di tipo σ. Ne deriva che per otto elettroni totali (uno di idrogeno e sette di fluoro), la molecola HF assume in totale tre orbitali molecolari, che saranno 1σ2 2σ2 1π4.
5. Gli orbitali non leganti
Nel calcolo degli orbitali molecolari non è possibile prendere in considerazione i cd. orbitali non leganti: si tratta di quelli che non derivano da alcuna sovrapposizione e per questo motivo non alterano la stabilità energetica della struttura, mentre hanno una minima influenza sulla reattività chimica.