Esa es realmente una gran pregunta, una de las mejores mentes de la química, y es una fuente continua de confusión y desafíos. 
La teoría principal que rige esto en física química se conoce como teoría del estado de transición. Hay muchas maneras en que se puede hablar de esto, y es importante tener en cuenta lo que hace de esto una teoría: es una forma imperfecta de describir algo que de otro modo sería incomprensible, pero nunca se ha logrado una mejor manera de explicarlo.
La idea clave fue señalar que cuando se acercan dos reactivos, cambian de carácter. Por lo tanto, puede pensar en un punto intermedio donde hay una tercera entidad, el “complejo activado”, que es libre de intercambiar con ambos lados de la reacción. Cuando las dos nubes de electrones se acercan, definitivamente experimentan cierto nivel de repulsión culombiana. Entonces, como dos “átomos” de hidrógeno (esta reacción es realmente extremadamente rara) tienen cada uno un electrón, ese término repulsivo significa que a medida que se acercan entre sí, se mueven cuesta arriba en una curva de energía potencial, al igual que cuando caminas En una colina, ganas energía potencial.
Pero algo sucede en el camino hacia allí. En el punto de transición, los orbitales atómicos independientes del hidrógeno son una forma extremadamente pobre de representar este estado alterado.
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En este video, los lados izquierdo y derecho representan los dos átomos independientes, cada uno con dos orbitales s de fase opuesta. Estadísticamente hablando, uno no sabe si el electrón está en una u otra forma: está distribuido estadísticamente (casi) por igual entre las dos ranuras orbitales de s vacías que se muestran en azul y rojo, y el verdadero comportamiento de cualquier átomo dado es un híbrido de ambos. No existe una diferencia real entre los dos estados, excepto en un fuerte campo magnético externo, que es la razón fundamental por la que funciona la RMN o la RM de protones.
Pero a medida que los dos átomos se acercan, el campo electromagnético de los átomos comienza a alterar los orbitales atómicos. La forma más simple de comenzar a pensar en esto es como una combinación lineal, y esa es la base de la teoría orbital molecular LCAO. Los dos orbitales atómicos comienzan a dividirse en un par de unión y un par de antienlace. La imagen inferior muestra el par de enlace orbital s combinado, llamado “orbital molecular ocupado más alto o HOMO- también llamado” estado fundamental “, y la imagen superior muestra el par orbital s de antibonding, también llamado orbital molecular desocupado más bajo o LUMO. Cada par puede contener dos electrones, por lo que los electrones comienzan a ser atraídos y se mueven sincronizados entre sí. No exactamente, porque como los átomos aún no están sincronizados, el estado fundamental real a temperatura ambiente es una mezcla de ambos estados fundamentales. y un pequeño porcentaje en orbitales superiores. De hecho, hay orbitales 2s y 2p que también se mezclan a medida que los dos átomos se acercan, y una pequeña cantidad de una molécula se encuentra en estos estados. Para obtener la mejor imagen, debe mirar todas las posibles interacciones, que son infinitas, por lo que este problema no es fácil de resolver.
Entonces, ¿qué significa eso realmente? A medida que se acercan los dos átomos, el término de repulsión comienza a ser superado y se ve compensado por un nuevo término atractivo. Si escribe la explicación mecánica cuántica de dos núcleos de hidrógeno separados por una separación radial “r”, la ecuación QM de energía ĤΨ = EΨ se puede escribir en una forma que traza el término “r” dentro de Ψ versus la energía E, y se ve notablemente como la gráfica de energía potencial vs coordenada de reacción anterior. Esta es la evidencia utilizada para apoyar la teoría del estado de transición.
De hecho, todas las reacciones parecen (en su mayoría) seguir esta regla, y esta formulación tiene una precisión asombrosa y produce muchas predicciones que se han demostrado ser ciertas a pesar del hecho de que sabemos que es solo una imagen parcial de lo que está sucediendo. También es aún más sorprendente, ya que las formas modernas suelen tratar el movimiento de los núcleos atómicos utilizando un potencial clásico, incluso mientras se utiliza un método QM para expresar el comportamiento de los orbitales electrónicos.
