La “forma” de los orbitales en realidad no determina la cercanía o el nivel de energía. En realidad es al revés. Mostrarle los contornos representados así es muy engañoso, cuando de hecho los orbitales combinados llenos de todos sus electrones se superponen por completo.
Todos los átomos y moléculas pueden tener cualquier configuración geométrica (dentro de lo razonable, obviamente no pueden estar todos en el mismo lugar al mismo tiempo). La función de onda para un electrón dado en ese sistema “completará” los orbitales atómicos o moleculares que se permiten en función de esa configuración geométrica, y tendrá una “energía potencial” representada por los niveles de energía. Dependiendo de la temperatura, algunos de esos electrones podrían estar excitados a niveles de energía más altos, que tendrán diferentes fases y superposición de unión / antibondición.
Las imágenes que ve de los orbitales 2s y 3s se generan asumiendo que solo hay un electrón (y un protón), y dichos diagramas se hacen con ciertas suposiciones (por ejemplo, una estructura interna fija o solo una imagen orbital de valencia) y el El color es algo engañoso. Los orbitales están en fases y tienen un carácter de unión o antienvejecimiento dependiendo de la superposición constructiva o destructiva de los orbitales de valencia en un primer nivel de aproximación, es por eso que tiene colores amarillentos o azulados en la imagen, para ayudar a visualizar esa superposición. Pero para el hidrógeno y cualquier otro átomo o molécula, estos valores son estados propios y, por lo tanto, están en “ángulos rectos” entre sí y no se superponen a pesar de que cuando se trazan en 3 dimensiones, parecen estar en el mismo espacio físico. Un estado propio es un tipo de matriz o campo unitario que representa un múltiplo entero de ese vector o campo. Para el campo representado por el espacio cartesiano , esos estados propios (vectores propios) son tres segmentos de línea, todos los cuales están en ángulo recto entre sí y están representados por segmentos de línea en los ejes X, Y y Z, y se comportan de manera muy parecida. los enteros escalares se comportan en una dimensión.
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Hay dos valores propios de 1s, y se ven casi idénticos pero existen con una fase opuesta. Esta es una distinción crítica: cada electrón no comparte el mismo espacio , porque están en fases opuestas , a pesar de que tienen la misma probabilidad de estar en cualquier lugar (o en el mismo) al mismo tiempo distribuidos uniformemente en todo el orbital s. Esto generalmente se llama giro: el giro puede estar hacia arriba o hacia abajo (dependiendo de si el electrón está precesando en un campo que tiene su polo norte alineado hacia arriba o hacia abajo), pero aunque eso generalmente significa que hay una carga eléctrica que circula en sentido horario o en el sentido contrario a las agujas del reloj, no debes tratar de pensar en un electrón como un giro de carga puntual, excepto como una simplificación, porque no es real. Por lo tanto, para todos los efectos, los dos electrones actúan como un par intercambiable (y como un bosón) cuando los valores propios de la rotación hacia arriba y hacia abajo se llenan y pierden su carácter fermiónico independiente. Esta es la razón por la cual la mayoría de las moléculas no tienen un espectro EPR, y contribuyen a la razón por la cual el helio ordinario no tiene un espectro de RMN.
La confusión que está experimentando es que no puede tratar la combinación de orbitales cuando tiene múltiples electrones en un átomo de la misma manera que trata los orbitales ocupados individualmente. Una vez que introduce un segundo electrón, esta imagen que se parece al átomo de hidrógeno es aproximadamente cierta, pero está sujeta a cierta cantidad de variación. Para realizar esa variación, comienza con un conjunto dado de funciones de onda similares al hidrógeno, o en algunos casos (aproximación gaussiana) simplemente “gotas” que son ortogonales, en una matriz y aplica una técnica como el método Hartree-Fock para optimizar la solución de la ecuación. También puede tratar pares de electrones con números cuánticos de espín opuestos juntos (teoría VSEPR).
Recuerde: los orbitales S o P no tienen una energía fija y no están “más cerca” o “más lejos”. Tienen una densidad máxima que puede colocar o no el electrón en una pequeña capa agradable que tiene una densidad máxima en esa capa, pero eso es solo una aproximación cuando el núcleo tiene un solo electrón. Una vez que comienzas a tener múltiples electrones, aproximas la “capa” interna como una especie de cuerpo esférico que obedece la ley de Coulomb y la capa de valencia se trata mediante una aproximación que mezcla o combina orbitales similares al hidrógeno (u otras soluciones válidas de la ecuación de Schrodinger , como un conjunto) para parecerse a los orbitales híbridos de un átomo dado (la teoría del enlace de valencia) o hibrida los orbitales atómicos en orbitales moleculares, y resuelve combinaciones de estados llenos de estos orbitales moleculares (la teoría de los orbitales moleculares). Dependiendo de cómo trabaje con las matemáticas, hibridando átomos y luego combinando o combinando primero y luego hibridando, los resultados pueden ser mejores o peores, pero en ambos casos son una aproximación de la verdad.
Lo importante para recordar es que para seis carbonos y seis hidrógenos (Benceno de August Kekulé), así como para todas las moléculas, hay una multitud de posibles estructuras. A medida que los átomos vibran, pasarán por muchas configuraciones diferentes que podrían parecerse a una o más de las otras estructuras posibles, y tendrán una energía potencial en ese instante que es la misma que la solución de la ecuación de Schrodinger. Si puede enfriarlos a temperaturas criogénicas, puede bloquear algunas de esas configuraciones en su lugar y observar esas estructuras. Pero a temperatura ambiente, la configuración del benceno (en términos generales) está en constante cambio, y los orbitales moleculares o atómicos no le dan una imagen precisa de “cuál es la forma” o “cuál es la posición”, sino que representan uno de los muchos estados posibles y con cuáles se pueden intercambiar fácilmente.
