¿Pueden los electrones estar presentes fuera de los orbitales? En caso afirmativo, ¿cómo afecta esto a las reacciones químicas?

Question

En mi libro de texto de química física está escrito (o mecanografiado) que los orbitales son regiones donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta (90%-100%). Pero ya que los orbitales son regiones de probabilidad es posible que los electrones estén presentes fuera de los orbitales para sólo un pequeño número de átomos en una reacción si es así ¿cómo afecta esto a las reacciones que tienen lugar con este pequeño número de átomos

Answer 1

Hay más niveles de abstracción. Al principio, los orbitales son una simplificación y se describen mejor como "una función de onda de un electrón", es decir, un área del espacio donde puede residir un electrón (o dos, si se piensa en orbitales espaciales, en contraposición a los orbitales de espín).

Al estar expresado como una función de onda, el orbital (y por tanto el electrón que reside en él) tiene una probabilidad no nula en todo el espacio (quiero decir, en todo el universo). Pero la probabilidad decae muy rápidamente.

Si se traza una densidad de probabilidad, véase la imagen de abajo, se puede ver claramente el comportamiento. Si, por el contrario, se quiere trazar la superficie 3d, que a menudo se muestra en los libros de texto, hay que indicar algún valor de corte. A menudo es la densidad de probabilidad de 0,9, es decir, el 90%. De este modo se obtienen las típicas imágenes de los orbitales.

Dejaré deliberadamente su pregunta sin respuesta, ya que proviene de una grave confusión causada por su libro de texto.

Answer 2

Creo que su libro de texto es esencialmente correcto. Normalmente, a efectos ilustrativos, los orbitales se dibujan con un radio del 90% o del 95%, lo que significa que esa es la región en la que se puede encontrar la mayor parte de la densidad de electrones en cualquier momento.

La función de onda se extiende hasta el infinito, pero la escala de la disminución con la distancia es muy severa, típicamente es $\approx exp(-Zr/(na_0))$ donde $Z$ es el número atómico, $n$ el número cuántico principal, $r$ distancia del núcleo y $a_0$ el radio de Bohr $\ce{5.29 10^{-11}}$ m. Así, para, digamos, un orbital 3s del átomo de H a 1 nm la función de onda ha decaído a 0,0018 de su valor máximo, la probabilidad de estar entre $r$ a $r+dr$ es el cuadrado de este valor, es decir, la posibilidad de estar a una distancia mayor es ínfima.

Así, podemos suponer que las moléculas pueden describirse razonablemente mediante orbitales con un valor de corte, es decir, que los átomos son discretos. Experimentos recientes con microscopios de fuerza atómica demuestran que la imagen de pequeños átomos discretos es correcta, al igual que numerosos experimentos cristalográficos de difracción de rayos X del último siglo. Así, aunque un electrón de un átomo en su estado básico podría "en principio" estar en cualquier lugar del espacio, la posibilidad de que se encuentre a una distancia significativa, es decir, a muchos nanómetros de su núcleo, es efectivamente nula. Así, tenemos moléculas bien definidas, cuya forma, como he mencionado, puede determinarse experimentalmente. Esto significa que las moléculas existen como entidades identificables.

También significa que la mayoría de las moléculas tienen que colisionar efectivamente para que se produzca una reacción, ya que de lo contrario los electrones de una molécula no sienten la influencia de los de la otra con la suficiente fuerza como para reaccionar. Así, el número de átomos que menciona que podrían reaccionar, cuando el electrón está a una separación muy grande (comparada con la separación media), es tan pequeño que no tiene un efecto significativo en una reacción. (Las fuerzas intermoleculares sí se extienden a cierta distancia (nm), pero su energía es pequeña comparada con la fuerza de los enlaces y, por lo general, no conducen a una reacción química).

Hay que mencionar dos puntos adicionales, (a) en los metales los electrones de conducción no están localizados en ningún átomo, aunque los electrones del núcleo sí lo están y (b) en la fase gaseosa los átomos/moléculas altamente excitados (llamados átomos/moléculas de Rydberg) pueden ser producidos por excitación láser de banda estrecha para tener electrones en niveles altamente excitados sólo unos pocos números de onda por debajo de la disociación. En este caso, la distancia media de la función de onda del electrón al núcleo puede ser de micras, ( $\ce{10^{-6}}$ m ); como bacteria grande, bastante notable.

Answer 3

Un orbital es no una región del espacio donde la probabilidad de encontrar un atado electrón es alto. Sospecho que su libro de texto quería decir que en el contexto de su forma un orbital es una región donde la probabilidad es alta. La función de onda del orbital es espacialmente infinita, y (por supuesto) su cuadrado -la "densidad" de probabilidad- es, por tanto, también infinito en extensión espacial. En otras palabras, es una función de los números cuánticos del sistema (átomo) al que está ligado, así como de los puntos x, y y z del espacio (excluyendo el tiempo, ya que esta "imagen" es estática). Como función, es una contradicción obvia preguntar "¿existe la función fuera de los lugares donde existe la función?". Esto no responde realmente a la pregunta "¿existe la electrón siempre se mantiene en su órbita?". Pues bien, sabemos que la respuesta es "no". Si lo hiciera, ¡nunca habría reacciones químicas! Así que sabemos que un electrón puede ser influenciado para dejar su orbital. Y puede que hayas aprendido lo suficiente sobre el Principio de Incertidumbre de Heisenberg como para esperar que también haya excursiones espontáneas desde la energía de un orbital dado, permitiendo que dE sea >0 durante un tiempo finito dt. Esta consideración no es útil al tratar con la química utilizando conceptos orbitales. En otras palabras, las perturbaciones transitorias de la función de onda orbital no son generalmente útiles cuando se piensa en átomos, moléculas y sus reacciones.