Costruzione degli orbitali molecolari: idrogeno, azoto, orbitali di legame e di antilegame

Costruzione degli orbitali molecolari: idrogeno, azoto, orbitali di legame e di antilegame

Nel processo di costruzione degli orbitali molecolari delle molecole biatomiche, è fondamentale considerare le configurazioni elettroniche degli atomi costituenti. Gli elettroni negli atomi occupano orbitali atomici con diverse energie, come ad esempio 1s, 2s, 3d, che rappresentano regioni di massima probabilità di trovare gli elettroni.

Secondo la teoria degli orbitali molecolari, gli elettroni presenti in una molecola si distribuiscono in orbitali molecolari, formati dalla combinazione degli orbitali atomici. Nella costruzione degli orbitali molecolari di una molecola biatomica, ci si concentra sulla configurazione elettronica degli atomi costituenti, in particolare sugli elettroni di legame. Gli orbitali molecolari si ottengono combinando gli orbitali atomici e vengono riempiti a partire da quelli con energia più bassa.

Il riempimento degli orbitali segue il principio di esclusione di Pauli, secondo il quale un massimo di due elettroni può essere ospitato in ciascun orbitale molecolare. Inoltre, si applica la regola di Hund o principio della massima molteplicità, che prevede che se ci sono orbitali degeneri, gli elettroni si distribuiscano singolarmente con spin paralleli prima di accoppiarsi.

Molecola di idrogeno
La molecola più semplice è l’idrogeno (H2), la cui costruzione degli orbitali molecolari coinvolge la somma delle funzioni d’onda degli elettroni per ottenere gli orbitali molecolari. Dato che ciascun atomo di idrogeno ha un solo elettrone nell’orbitale 1s, si combinano queste funzioni d’onda per ottenere un orbitale di legame σ_1s e uno di antilegame σ*_1s. Gli elettroni si dispongono entrambi nell’orbitale σ_1s di legame, che ha un’energia inferiore rispetto all’orbitale σ*_1s di antilegame.

Orbitali di legame e di antilegame
Negli orbitali di antilegame è presente un piano nodale, una regione in cui è minima la probabilità di trovare l’elettrone. Gli elettroni presenti in un orbitale di antilegame non contribuiscono alla formazione del legame, ma si oppongono ad esso. Il numero di orbitali contenenti elettroni di legame è maggiore rispetto al numero di orbitali contenenti elettroni di antilegame, determinando la stabilità della molecola.

Molecola di azoto
Nella costruzione degli orbitali molecolari per la molecola di azoto (N2), si considera la configurazione elettronica dell’atomo di azoto, che presenta tre elettroni nell’orbitale p. Gli orbitali p_x possono sovrapporsi lateralmente dando un orbitale σ di legame e un orbitale σ di antilegame, mentre gli orbitali p_y e p_z possono formare un orbitale π. Gli orbitali molecolari più stabili sono i due orbitali di legame σ_2p, determinando un ordine di legame pari a 3 per la molecola di azoto.

In generale, per le molecole biatomiche omonucleari, l’ordine di riempimento degli orbitali molecolari segue uno schema specifico. Questa strategia conduce alla formazione degli orbitali molecolari degli elementi biatomici, indicando la stabilità della molecola e le caratteristiche del legame.