O que são orbitais degenerados?

Os orbitais degenerados são aqueles que estão no mesmo nível de energia. De acordo com essa definição, eles devem ter o mesmo número quântico principal n . Assim, os orbitais 2s e 2p são degenerados, pois pertencem ao nível de energia 2. No entanto, sabe-se que suas funções de onda angular e radial são diferentes.

À medida que os valores de n aumentam , os elétrons começam a ocupar outros subníveis de energia, como os orbitais def. Cada um desses orbitais possui características próprias, que à primeira vista são observadas em suas formas angulares; estas são as figuras esféricas, halteres (p), trevos de folhas (d) e globulares (f).

O que são orbitais degenerados? 1

Fonte: Gabriel Bolívar

Entre eles, há uma diferença de energia, mesmo pertencendo ao mesmo nível n .

Por exemplo, na imagem acima, um esquema de energia é mostrado com orbitais ocupados por elétrons ausentes (um caso anormal). Pode-se ver que de todos os mais estáveis ​​(aquele com a menor energia) são os orbitais ns (1s, 2s, …), enquanto o nf é o mais instável (aquele com a energia mais alta).

Orbitais degenerados de um átomo isolado

Orbitais degenerados, com o mesmo valor de n , estão na mesma linha em um esquema energético. Por esse motivo, as três faixas vermelhas que simbolizam os orbitais p estão localizadas na mesma linha; assim como listras roxas e amarelas.

O esquema da imagem viola a regra de Hund: os orbitais com maior energia são preenchidos com elétrons sem emparelhá-los primeiro com a menor energia. Quando os elétrons se acasalam, o orbital perde energia e exerce uma maior repulsão eletrostática nos elétrons desaparecidos dos outros orbitais.

No entanto, esses efeitos não são considerados em muitos diagramas de energia. Nesse caso, e obedecendo à regra de Hund sem encher completamente os orbitais d, seria visto que eles deixavam de ser degenerados.

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Como afirmado anteriormente, cada orbital tem suas próprias características. Um átomo isolado, com sua configuração eletrônica, tem seus elétrons dispostos no número preciso de orbitais que permitem sua acomodação. Somente aqueles com energia igual podem ser considerados degenerados.

Orbitais p

Os três listras vermelhas para orbitais degenerados imagem mostra que ambos p x , p e p z têm a mesma energia. Há um elétron ausente em cada um, descrito por quatro números quânticos ( n , l , ml e ms ), enquanto os três primeiros descrevem os orbitais.

A única diferença entre eles é denotada pelo momento magnético ml , que desenha o caminho de p x em um eixo x, p y no eixo y ep z no eixo z. Todos os três são iguais, mas diferem apenas em suas orientações espaciais. Por esse motivo, eles são sempre desenhados alinhados em energia, ou seja, degenerados.

Como são iguais, um átomo isolado do nitrogênio (com configuração 1s 2 2s 2 2p 3 ) deve manter degenerados seus três orbitais p. No entanto, o cenário energético muda abruptamente se um átomo de N for considerado dentro de uma molécula ou composto químico.

Porque Porque, embora p x , p e yp z sejam iguais em energia, isso pode variar em cada um deles se tiverem ambientes químicos diferentes; isto é, se eles se ligam a átomos diferentes.

Orbitais d

Existem cinco listras roxas que denotam os orbitais d. Em um átomo isolado, mesmo que tenham elétrons emparelhados, esses cinco orbitais são considerados degenerados. No entanto, diferentemente dos orbitais p, desta vez há uma diferença acentuada em suas formas angulares.

Portanto, seus elétrons viajam direções no espaço que variam de um orbital para outro. Isso causa, de acordo com a teoria do campo cristalino , que um distúrbio mínimo provoque uma divisão de energia dos orbitais; isto é, as cinco faixas roxas se separam deixando um espaço de energia entre elas:

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O que são orbitais degenerados? 2

Fonte: Gabriel Bolívar

Quais são os orbitais acima e quais abaixo? O acima são simbolizados como e g , e a seguir t 2g . Note-se como todas as bandas inicialmente roxo foram alinhados, e agora um conjunto de duas orbital formada e g mais energia do que o outro conjunto de três orbital t 2g .

Essa teoria permite explicar as transições dd, às quais muitas das cores observadas nos compostos dos metais de transição (Cr, Mn, Fe, etc.) são atribuídas. E por que esse distúrbio eletrônico? Para as interações de coordenação do centro de metal com outras moléculas chamadas ligantes .

Orbitais

E com os orbitais f, eles sentem listras amarelas, a situação é ainda mais complicada. Suas direções espaciais variam muito entre eles, e a visualização de seus links se torna muito complexa.

De fato, os orbitais f são considerados como de uma camada interna que não “participam significativamente” da formação de ligações.

Quando o átomo isolado com os orbitais f é cercado por outros átomos, as interações começam e ocorre a divisão (perda de degeneração):

O que são orbitais degenerados? 3

Fonte: Gabriel Bolívar

Note-se que as faixas amarelas estão agora três conjuntos: t 1 g , t 2g e um 1g , e que não estão a degenerar.

Orbitais híbridos degenerados

Foi visto que os orbitais podem se desdobrar e perder a degeneração. No entanto, embora isso explique as transições eletrônicas, empalidece no esclarecimento de como e por que existem diferentes geometrias moleculares. É aqui que os orbitais híbridos entram.

Quais são as suas principais características? Eles são degenerados. Assim, eles surgem da mistura de caracteres dos orbitais s, p, dyf, para causar híbridos degenerados.

Por exemplo, três orbitais p são misturados com um s para dar quatro orbitais sp 3 . Todos os orbitais sp 3 são degenerados e, portanto, têm a mesma energia.

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Se dois orbitais d forem misturados adicionalmente com os quatro sp 3 , serão obtidos seis orbitais sp 3 d 2 .

E como eles explicam geometrias moleculares? Como existem seis, com energias iguais, elas devem ser orientadas simetricamente no espaço para gerar ambientes químicos iguais (por exemplo, em um composto MF 6 ).

Quando o fazem, um octaedro de coordenação é formado, o que é igual a uma geometria octaédrica em torno de um centro (M).

No entanto, as geometrias tendem a apresentar distorções, o que significa que mesmo os orbitais híbridos não são realmente degenerados. Portanto, a título de conclusão, orbitais degenerados existem apenas em átomos isolados ou em ambientes altamente simétricos.

Referências

  1. Dicionário Chemicool. (2017). Definição de Degenerado. Recuperado de: chemicool.com
  2. SparkNotes LLC. (2018). Átomos e orbitais atômicos. Recuperado de: sparknotes.com
  3. Química pura. (sf). Configuração eletrônica Recuperado de: es-puraquimica.weebly.com
  4. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Química (8a ed.). Aprendizagem CENGAGE.
  5. Moreno R. Esparza. (2009). Curso de coordenação química: Campos e orbitais. [PDF]. Recuperado de: depa.fquim.unam.mx
  6. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica (Quarta edição). Mc Graw Hill

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