COSA SONO GLI ORBITALI DEGENERI? - CHIMICA - 2025

Gli orbitali degeneri sono quelli che si trovano allo stesso livello di energia. Secondo questa definizione, devono avere lo stesso numero quantico principale n. Pertanto, gli orbitali 2s e 2p sono degeneri, poiché appartengono al livello di energia 2. Tuttavia, è noto che le loro funzioni d'onda angolare e radiale sono diverse.

All'aumentare dei valori di n, gli elettroni iniziano ad occupare altri sottolivelli di energia, come gli orbitali de f. Ciascuno di questi orbitali ha le proprie caratteristiche, che a prima vista si possono vedere nelle loro forme angolari; Queste sono le figure sferica (s), manubrio (p), quadrifoglio (d) e globulare (f).

Fonte: Gabriel Bolívar

Tra di loro c'è una differenza energetica, anche appartenente allo stesso livello n.

Ad esempio, l'immagine sopra mostra uno schema energetico con gli orbitali occupati da elettroni spaiati (un caso anomalo). Si può notare che tra tutti il ​​più stabile (quello con l'energia più bassa) è l'orbitale ns (1s, 2s, …), mentre l'nf è il più instabile (quello con l'energia più alta).

Orbitali degeneri di un atomo isolato

Gli orbitali degeneri, con lo stesso valore di n, sono sulla stessa linea in uno schema energetico. Per questo motivo le tre strisce rosse che simboleggiano gli orbitali p si trovano sulla stessa linea; così come le strisce viola e gialle allo stesso modo.

Il diagramma nell'immagine viola la regola di Hund: gli orbitali ad alta energia sono pieni di elettroni senza accoppiarli prima in quelli a bassa energia. Quando gli elettroni si accoppiano, l'orbitale perde energia ed esercita una maggiore repulsione elettrostatica sugli elettroni spaiati degli altri orbitali.

Tuttavia, tali effetti non sono considerati in molti diagrammi energetici. Se è così, e obbedendo alla regola di Hund senza riempire completamente gli orbitali d, si vedrebbe che smettono di essere degenerati.

Come accennato in precedenza, ogni orbitale ha le sue caratteristiche. Un atomo isolato, con la sua configurazione elettronica, ha i suoi elettroni disposti nel numero preciso di orbitali per accoglierli. Solo quelli uguali in energia possono essere considerati degenerati.

Orbitali p

Le tre strisce rosse per gli orbitali p degeneri nell'immagine indicano che entrambi p _x , p _e p _z hanno la stessa energia. C'è un elettrone spaiato in ciascuno, descritto da quattro numeri quantici (n, l, ml e ms), mentre i primi tre descrivono gli orbitali.

L'unica differenza tra loro è denotata dal momento magnetico ml, che disegna il percorso di p _x su un asse x, p _y sull'asse y ep _z sull'asse z. Tutti e tre sono uguali, ma differiscono solo per i loro orientamenti spaziali. Per questo motivo sono sempre disegnati allineati in energia, cioè degenerati.

Poiché sono uguali, un atomo di azoto isolato (con configurazione 1s ² 2s ² 2p ³ ) deve mantenere i suoi tre orbitali p degeneri. Tuttavia, lo scenario energetico cambia bruscamente se si considera un atomo di azoto all'interno di una molecola o di un composto chimico.

Perché? Perché sebbene p _x , p _e p _z siano uguali in energia, può variare in ciascuno di essi se hanno ambienti chimici diversi; cioè, se si legano ad atomi differenti.

Orbitali d

Ci sono cinque strisce viola che denotano gli orbitali d. In un atomo isolato, anche se hanno elettroni accoppiati, questi cinque orbitali sono considerati degeneri. Tuttavia, a differenza degli orbitali p, questa volta c'è una marcata differenza nelle loro forme angolari.

Pertanto, i suoi elettroni viaggiano in direzioni nello spazio che variano da un orbitale all'altro. Questo fa si che, secondo la teoria del campo cristallino, un minimo disturbo provochi un raddoppio energetico degli orbitali; cioè, le cinque strisce viola si separano, lasciando un divario di energia tra di loro:

Fonte: Gabriel Bolívar

Quali sono gli orbitali superiori e quali sono gli orbitali inferiori? Quelli sopra sono simboleggiati come e _g e quelli sotto t _2g . Nota come inizialmente tutte le strisce viola erano allineate, e ora si è formato un insieme di due orbitali _eg più energetici dell'altro gruppo di tre orbitali t _2g .

Questa teoria ci permette di spiegare le transizioni dd, a cui vengono attribuiti molti dei colori osservati nei composti dei metalli di transizione (Cr, Mn, Fe, ecc.). E a cosa è dovuto questo disturbo elettronico? Alle interazioni di coordinazione del centro metallico con altre molecole chiamate ligandi.

Orbitali f

E con gli orbitali f, le strisce gialle in feltro, la situazione diventa ancora più complicata. Le loro direzioni spaziali variano notevolmente tra loro e la visualizzazione dei loro collegamenti diventa troppo complessa.

In effetti, gli orbitali f sono considerati così rivestiti internamente da non "partecipare in modo apprezzabile" alla formazione del legame.

Quando l'atomo isolato con orbitali f si circonda di altri atomi, iniziano le interazioni e si verifica il dispiegamento (la perdita della degenerazione):

Fonte: Gabriel Bolívar

Notare che ora le strisce gialle formano tre serie: t _1g , t _2g e a _1g , e che non sono più degenerate.

Orbitali ibridi degeneri

È stato visto che gli orbitali possono aprirsi e perdere la degenerazione. Tuttavia, mentre questo spiega le transizioni elettroniche, impallidisce nel chiarire come e perché ci sono diverse geometrie molecolari. È qui che entrano in gioco gli orbitali ibridi.

Quali sono le sue caratteristiche principali? Che sono degenerati. Pertanto, derivano dalla miscela di caratteri degli orbitali s, p, de f, per originare ibridi degenerati.

Ad esempio, tre orbitali p si mescolano con uno s per dare quattro orbitali sp ³ . Tutti gli orbitali sp ³ sono degeneri e quindi hanno la stessa energia.

Se, inoltre, due orbitali d sono mescolati con i quattro orbitali sp ³ , otterremo sei orbitali sp ³ d ² .

E come spiegano le geometrie molecolari? Poiché sono sei, con energie uguali, devono quindi essere orientate simmetricamente nello spazio per generare ambienti chimici uguali (ad esempio, in un composto MF ₆ ).

Quando lo fanno, si forma un ottaedro di coordinazione, che è uguale a una geometria ottaedrica attorno a un centro (M).

Tuttavia, le geometrie sono spesso distorte, il che significa che anche gli orbitali ibridi non sono realmente completamente degenerati. Pertanto, in conclusione, gli orbitali degeneri esistono solo in atomi isolati o in ambienti altamente simmetrici.

Riferimenti

1. Dizionario Chemicool. (2017). Definizione degenerate. Estratto da: chemicool.com
2. SparkNotes LLC. (2018). Atomi e orbitali atomici. Estratto da: sparknotes.com
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6. Shiver & Atkins. (2008). Chimica inorganica. (Quarta edizione). Mc Graw Hill.