¿Existen orbitales híbridos en las moléculas no enlazadas? ¿Qué aspecto tendrían?

Question

Por ejemplo, el estado fundamental de un átomo de carbono neutro podría anotarse como:

$$ [\ce{He}] \underset{\ce{2s}}{[\uparrow \downarrow]} \underset{\ce{2p}}{[\uparrow \vert \uparrow \vert \; \;]} $$

Lo sé. $\ce{s}$ orbitales tienen forma de esfera, de modo que los dos electrones del $\ce{s}$ orbital probablemente debería tener forma esférica.

Pero ¿cómo deberían los electrones del $\ce{p}$ ¿se distribuyen los orbitales?

Creo que en el resultado final un átomo de carbono neutro tiene forma de disposición trigonal-planar o lineal.

¿Existen orbitales híbridos en las moléculas no enlazadas? ¿Qué aspecto tendrían?

Creo que esto tendría resultados interesantes para las colisiones entre átomos y la probabilidad de ciertas reacciones.

Answer 1

Los orbitales híbridos no existen. Los átomos individuales tienen configuraciones electrónicas que pueden explicarse considerando los orbitales atómicos. Las moléculas tienen configuraciones electrónicas que pueden explicarse considerando los orbitales moleculares. Los orbitales híbridos son sólo una forma matemática de llegar a los orbitales moleculares a partir de la combinación de orbitales atómicos. Son una pura ficción matemática y carecen de significado físico (lo que no significa que no sean útiles).

Algunas escuelas o libros de texto enseñan que, para que se produzca una reacción, se necesita energía para "promover" electrones a orbitales híbridos y crear algún tipo de átomo excitado antes del enlace. Esto no ocurre en la vida real y no es una forma útil de ver el enlace. Lo que sí ocurre es que a medida que los átomos se acercan entre sí, sus orbitales atómicos empiezan a solaparse de forma significativa, dando lugar a un nuevo conjunto de orbitales moleculares (en mecánica cuántica se está cambiando el potencial en el que residen los electrones y, por tanto, cambian los estados de energía permitidos). Si los electrones de los nuevos orbitales moleculares tienen menor energía que los de los orbitales atómicos, la reacción se producirá.

En cuanto a la distribución de electrones de los átomos, es esféricamente simétrica. Los dos $\ce{2p}$ los electrones residirán en orbitales diferentes porque esto no requiere el emparejamiento de sus espines (que es un estado de mayor energía). Sin embargo, no tiene sentido preguntar cuál $\ce{p}$ porque los tres orbitales son degenerados y, por tanto, indistinguibles.

Answer 2

... el estado fundamental de un átomo de carbono neutro podría anotarse como: $$ [\ce{He}] \underset{\ce{2s}}{[\uparrow \downarrow]} \underset{\ce{2p}}{[\uparrow \vert \uparrow \vert \; \;]} $$ Lo sé. $\ce{s}$ orbitales ... forman una forma esférica. Pero ¿cómo deben los electrones en el $\ce{p}$ ¿se distribuyen los orbitales?

Desde un punto de vista físico, la respuesta es inequívoca. Con la ayuda de las matemáticas para armónicos esféricos y en la limitación del sistema de coordenadas cartesianas las formas de la probabilidad de encontrar el electrón en algún volumen alrededor del núcleo (con algún porcentaje de digamos 90%] se calculan para las subcáscaras p de los elementos Neón y respectivamente Argón como sigue:

A pesar de su nombre, los armónicos esféricos adoptan su forma más simple en coordenadas cartesianas, donde pueden definirse como polinomios homogéneos de grado l en (x,y,z) que obedecen a la ecuación de Laplace. ( Wikipedia )

Así que, según la cita de Wikipedia, deberían existir otras soluciones en coordenadas no cartesianas. En el Versión alemana de WP se esbozan algunas formas, de las cuales la inferior izquierda podría ser de interés:

Se computan 8 volúmenes, todos de la misma simetría respecto al centro de la esfera, 4 con signo "+" y 4 con signo "-". ¿No es una solución más cercana a la $sp^{x}$ ¿Hibridizaciones? El signo muestra la dirección tanto de los momentos dipolares magnéticos de los electrones como del espín de los electrones. Los electrones de los gases nobles Ne y Ar se encuentran en un equilibrio perfecto de sus 8 electrones de la " $sp^{3}$ " conchas. Es obvio que tal solución no se corresponde con las soluciones fundadas en la literatura científica y tenemos que rechazar esta solución.

Su pregunta, cómo se distribuyen los electrones de los átomos individuales alrededor del núcleo, sólo tiene interés teórico. ¿Alguien ha medido la forma de los átomos individuales respectivamente los electrones exteriores no perturbados de estos átomos? A fin de cuentas usted está interesado en la distribución de electrones de las moléculas. A partir de la forma de la red se podría concluir sobre la distribución de electrones para las moléculas y a partir de este conocimiento se puede predecir la existencia y estructura compuesta de nuevas moléculas.

Teniendo esto en cuenta, la hipótesis de trabajo anterior (Arbeitshypothese) sobre la configuración de los gases nobles con 4 (spin up) + 4 (spin down) electrones perfectamente equilibrados en las aristas de un cubo tiene algunas ventajas. Un buen ejemplo son las estructuras cristalinas de celosías cúbicas . El diamante, como forma de carbono, también tiene este entramado:

Simplemente tome el $sp^{x}$ - hibridación como estándar E imagina las moléculas que te interesan como compuestos entre sus átomos con configuraciones electrónicas de cubos llenos para cada átomo. Tomemos por ejemplo el Compuestos de gases nobles . Para algunos la imaginación sobre cúbico - u octaédrico (que es lo mismo, ver Sólidos platónicos ) - la distribución funciona perfectamente y para otros tal modelo no se ajusta a las geometrías fundadas:

Imágenes de Wikipedia

Creo que en el resultado final un átomo de carbono neutro tiene forma de disposición trigonal-planar o lineal.

Desde el punto de vista de la física, la respuesta para un átomo de carbono es clara: dos electrones están en la subcáscara s y dos electrones están en la subcáscara p de los átomos.

¿Existen orbitales híbridos en las moléculas no enlazadas? ¿Qué aspecto tendrían?

Creo que esto tendría resultados interesantes para las colisiones entre átomos y la probabilidad de ciertas reacciones.

Si quieres ir en la dirección de un científico esta podría ser tu área de trabajo. La pregunta es un bien asombroso.