Teoría de Orbitales Moleculares (TOM)
La TOM describe el enlace químico como la combinación lineal de orbitales atómicos (LCAO) para formar orbitales moleculares que pertenecen a toda la molécula (no a átomos individuales). Es más rigurosa que la teoría de Lewis o el modelo de hibridación, y explica fenómenos que ellos no logran (paramagnetismo del O₂, resonancia, color, semiconducción).
Principio de combinación
Si dos orbitales atómicos χA y χB de simetría compatible se combinan:
- Combinación en fase (suma): orbital enlazante σ o π (energía menor).
- Combinación fuera de fase (resta): orbital antienlazante σ* o π* (energía mayor).
Cada combinación crea dos orbitales moleculares desde dos orbitales atómicos. Si hay 4 orbitales atómicos compatibles, salen 4 moleculares (de los cuales unos enlazan, otros antienlazan, algunos pueden ser “no enlazantes”).
Diagramas de niveles para diatómicas homonucleares
Para A₂ (con A en periodo 2):
σ*₂p
─────────
π*₂p ───── π*₂p
─── ───
E σ₂p
↑ ─────────
│ π₂p ── π₂p
│ ─── ───
│
│ σ*₂s
│ ─────────
│
│ σ₂s
│ ─────────
(Para Li₂–N₂ las π_2p quedan debajo de σ_2p por mezcla s-p; para O₂–F₂ quedan arriba.)
Orden de enlace y propiedades
Orden de enlace = (e⁻ enlazantes − e⁻ antienlazantes) / 2
| Molécula | e⁻ totales | Orden de enlace | Magnetismo |
|---|---|---|---|
| H₂ | 2 | 1.0 | Diamagnético |
| He₂ | 4 | 0 | No estable |
| Li₂ | 6 | 1.0 | Diamagnético |
| Be₂ | 8 | 0 | No estable |
| B₂ | 10 | 1.0 | Paramagnético (2 e⁻ desapareados en π_2p) |
| C₂ | 12 | 2.0 | Diamagnético |
| N₂ | 14 | 3.0 | Diamagnético |
| O₂ | 16 | 2.0 | Paramagnético (2 e⁻ desapareados en π*_2p) |
| F₂ | 18 | 1.0 | Diamagnético |
| Ne₂ | 20 | 0 | No estable |
Por qué TOM gana sobre Lewis
| Fenómeno | Lewis | TOM |
|---|---|---|
| Paramagnetismo del O₂ | No predice | Predice (2 electrones desapareados en π*) |
| Estabilidad de He₂⁺, H₂⁺ | Imposible | Predice orden 0.5 |
| Color de moléculas y sólidos | No predice | Transiciones HOMO-LUMO |
| Aromaticidad | Vagamente | Diagramas de orbitales delocalizados (Frost, Hückel) |
| Conducción eléctrica | No predice | Teoría de bandas (extensión a sólidos) |
Conceptos derivados
- HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) — más alto ocupado.
- LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) — más bajo desocupado.
- Gap HOMO-LUMO — energía mínima de excitación; explica color, reactividad, propiedades semiconductoras.
- Hückel (1931): aplicación a sistemas π-conjugados (benceno aromático, regla 4n+2).
- Teoría de Bandas (sólidos): orbitales se mezclan en bandas de valencia y conducción → metal/aislante/semiconductor.
Aplicaciones modernas
- Diseño de OLEDs: diferencia HOMO-LUMO determina color emitido.
- Semiconductores 2D (grafeno, MXene): comportamiento electrónico es directamente teoría de bandas.
- Catálisis: reactividad de superficies metálicas modelada con DFT (extensión de TOM).
- Espectroscopía UV-Vis: transiciones electrónicas predichas y medidas.