Diagramas de orbitales moleculares explicados: orden de enlace, magnetismo y la regla de la mezcla s–p
Respuesta corta: un diagrama de orbitales moleculares (OM) muestra cómo se combinan los orbitales atómicos en orbitales enlazantes y antienlazantes. Llena los orbitales desde abajo aplicando la regla de Hund y usa orden de enlace = (electrones enlazantes − antienlazantes) / 2. El O₂ tiene orden de enlace 2 y 2 electrones desapareados (paramagnético). El N₂ tiene orden de enlace 3 y es diamagnético. Con 14 electrones o menos, π2p queda por debajo de σ2p. El generador gratuito de diagramas OM dibuja cualquier diatómica de H₂ a Ne₂, además de CO, NO, CN⁻ y HF.
Términos clave en un solo lugar
| Orbital molecular (OM) | Orbital que se extiende por toda la molécula, formado al combinar orbitales atómicos. |
|---|---|
| OM enlazante | De menor energía que los orbitales atómicos. La densidad electrónica se sitúa entre los núcleos. Símbolos: σ, π. |
| OM antienlazante | De mayor energía, con un nodo entre los núcleos. Símbolos: σ*, π*. |
| Orden de enlace | (electrones enlazantes − electrones antienlazantes) / 2. Un orden de enlace 0 significa que no hay enlace estable. |
| Paramagnético | Tiene uno o más electrones desapareados y es atraído por un campo magnético. El O₂ es el caso clásico. |
| Diamagnético | Todos los electrones apareados. Es repelido débilmente por un campo magnético. El N₂ y el F₂ son ejemplos. |
| HOMO y LUMO | El OM ocupado de mayor energía y el OM vacío de menor energía. Un HOMO semiocupado es un SOMO. |
Reglas para dibujar un diagrama OM
- Cuenta los electrones. Suma los números atómicos, resta la carga en los cationes y súmala en los aniones. El O₂ tiene 16, el O₂⁺ tiene 15 y el O₂²⁻ tiene 18.
- Elige el orden de los orbitales. Con 14 electrones o menos (Li₂ a N₂, CO, CN⁻, NO⁺) usa σ2s, σ*2s, π2p, σ2p, π*2p, σ*2p. Con más de 14 electrones (O₂, F₂, Ne₂, NO, O₂⁻) usa σ2s, σ*2s, σ2p, π2p, π*2p, σ*2p.
- Llena desde abajo. Cada orbital admite 2 electrones con espines opuestos (principio de Pauli).
- Aplica la regla de Hund. En el par degenerado π o π*, coloca un electrón en cada orbital antes de aparearlos.
- Lee los resultados. El orden de enlace sale de la fórmula, el magnetismo de los electrones desapareados, y el HOMO y el LUMO de la parte superior del llenado.
Por qué cambia el orden después del nitrógeno
El cambio se debe a la mezcla s–p. En el B, el C y el N las energías 2s y 2p están próximas. Los orbitales σ2s y σ2p tienen la misma simetría, así que interaccionan y empujan σ2p hacia arriba, por encima de π2p. A partir del oxígeno la separación 2s–2p es mayor (unos 16 eV para el O y 21 eV para el F), la mezcla es débil y σ2p queda por debajo de π2p.
Cómo usar el generador de diagramas OM paso a paso
- Abre el generador de diagramas de orbitales moleculares.
- Escribe una especie en Molécula o ion, por ejemplo
O2,N2+,O2 2-,NO,COoCN-. O elige Átomo 1, Átomo 2 y Carga. - O pulsa un botón de ejemplo como B₂, C₂, O₂⁻ o HF.
- Deja Orden orbital en Automático (regla de los 14 electrones). Para ver por qué importa la regla, cambia a Sin mezcla s–p y observa cómo el B₂ se vuelve diamagnético.
- Lee el orden de enlace, la configuración OM, el HOMO, el LUMO y el magnetismo en la tabla de resultados.
- Pulsa Descargar SVG o Descargar PNG para guardar el diagrama.
Ejemplos resueltos
1. Oxígeno, O₂
16 electrones: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². Electrones enlazantes = 10 (incluido σ1s²), antienlazantes = 6. Orden de enlace = (10 − 6)/2 = 2. Los dos electrones π* ocupan orbitales distintos con espines paralelos, así que el O₂ tiene 2 electrones desapareados y es paramagnético. El oxígeno líquido queda retenido entre los polos de un imán; el nitrógeno líquido no.
2. Nitrógeno, N₂
14 electrones: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p². Orden de enlace = (10 − 4)/2 = 3. Todos los electrones están apareados, así que el N₂ es diamagnético. El HOMO es σ2p y el LUMO es π*2p. El triple enlace explica la elevada energía de enlace de 945 kJ/mol.
3. B₂ y C₂
El B₂ tiene 10 electrones: KK σ2s² σ*2s² π2p¹ π2p¹. Orden de enlace 1, 2 electrones desapareados, paramagnético. El C₂ tiene 12 electrones: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴. Orden de enlace 2, diamagnético. El paramagnetismo medido del B₂ es la prueba experimental de que π2p queda por debajo de σ2p en los elementos ligeros.
4. La serie del oxígeno
El O₂⁺ (15 e) pierde un electrón π*: orden de enlace 2,5, longitud de enlace 112 pm. O₂⁻, superóxido (17 e): orden de enlace 1,5, 133 pm. O₂²⁻, peróxido (18 e): orden de enlace 1, 149 pm, diamagnético. Más electrones antienlazantes dan un enlace más largo y más débil.
5. NO y NO⁺
El NO tiene 15 electrones, con uno en π*2p: orden de enlace 2,5, paramagnético. Al quitar ese electrón se obtiene NO⁺ (14 e), isoelectrónico con el N₂: orden de enlace 3, diamagnético, y el enlace se acorta de 115 pm a 106 pm.
6. CO y HF (heteronucleares)
El CO tiene 14 electrones, como el N₂: orden de enlace 3, diamagnético. El oxígeno es más electronegativo, así que sus orbitales atómicos están más bajos. El HOMO (σ2p, también llamado 3σ) es sobre todo un par solitario del carbono, y por eso el CO se une a los metales a través del carbono. En el HF, el 1s del H solo se solapa con un orbital 2p del F. Los demás orbitales del F son no enlazantes, así que el HF tiene orden de enlace 1.
Tabla resumen
| Especie | Electrones | Configuración de valencia | Orden de enlace | Magnetismo |
|---|---|---|---|---|
| H₂ | 2 | σ1s² | 1 | diamagnético |
| He₂⁺ | 3 | σ1s² σ*1s¹ | 0.5 | paramagnético (1) |
| Li₂ | 6 | σ2s² | 1 | diamagnético |
| Be₂ | 8 | σ2s² σ*2s² | 0 | no estable |
| B₂ | 10 | σ2s² σ*2s² π2p² | 1 | paramagnético (2) |
| C₂ | 12 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ | 2 | diamagnético |
| N₂, CO, CN⁻, NO⁺ | 14 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p² | 3 | diamagnético |
| NO, O₂⁺ | 15 | … σ2p² π2p⁴ π*2p¹ | 2.5 | paramagnético (1) |
| O₂ | 16 | σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p² | 2 | paramagnético (2) |
| O₂⁻ | 17 | … π*2p³ | 1.5 | paramagnético (1) |
| F₂, O₂²⁻ | 18 | … π*2p⁴ | 1 | diamagnético |
| Ne₂ | 20 | … π*2p⁴ σ*2p² | 0 | no estable |
Errores comunes
- Usar el orden del O₂ para B₂, C₂ o N₂. Da un magnetismo erróneo para el B₂ y el C₂.
- Aparear electrones en π* demasiado pronto. Entonces el O₂ parece diamagnético, lo cual es incorrecto.
- Olvidar cambiar el número de electrones en los iones.
- Contar los electrones internos en un lado de la fórmula pero no en el otro. Cuenta todos los electrones o solo los de valencia, pero hazlo igual para los enlazantes y los antienlazantes.
- Pensar que solo las especies con número impar de electrones son paramagnéticas. El O₂ (16) y el B₂ (10) son pares y aun así paramagnéticos.
Consejos para el examen
- JEE y NEET: aprende el atajo para las diatómicas del segundo periodo según el total de electrones: 10 da 1, 12 da 2, 14 da 3, 15 da 2,5, 16 da 2, 17 da 1,5, 18 da 1 y 20 da 0. Los números impares siempre son paramagnéticos. De los pares, 10 (B₂) y 16 (O₂, NO⁻) también son paramagnéticos.
- JEE y NEET: para ordenar longitudes de enlace, ordena los órdenes de enlace al revés: O₂²⁻ > O₂⁻ > O₂ > O₂⁺.
- AP Chemistry: la teoría OM explica lo que las estructuras de Lewis no pueden: el O₂ es paramagnético aunque su estructura de Lewis tenga todos los electrones apareados.
- A-level e IB: prepárate para definir los enlaces σ y π por solapamiento frontal y lateral, y para explicar por qué un enlace π es más débil que un enlace σ.
- Universidad: usa los símbolos g y u para las diatómicas homonucleares (σg, σu*, πu, πg*) y relaciona el diagrama OM con los espectros fotoelectrónicos y con la retrodonación del CO en los carbonilos metálicos.
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Preguntas y respuestas
¿Qué es un diagrama de orbitales moleculares?
Es un diagrama de energía que muestra los orbitales atómicos de dos átomos a los lados y los orbitales moleculares que forman en el centro. Los electrones se dibujan como flechas, y el diagrama da el orden de enlace, el magnetismo, el HOMO y el LUMO.
¿Cómo se calcula el orden de enlace a partir de un diagrama OM?
Orden de enlace = (electrones en orbitales enlazantes − electrones en orbitales antienlazantes) / 2. Para el O₂: (10 − 6)/2 = 2. Para el N₂: (10 − 4)/2 = 3.
¿Por qué el O₂ es paramagnético?
Sus dos últimos electrones ocupan por separado los dos orbitales π*2p degenerados, con espines paralelos (regla de Hund). Dos electrones desapareados hacen que el O₂ sea paramagnético.
¿Cuándo está σ2p por debajo de π2p?
En el O₂, el F₂, el Ne₂ y otras especies con más de 14 electrones. Del Li₂ al N₂ y en las especies con 14 electrones o menos, la mezcla s–p sitúa σ2p por encima de π2p.
¿Qué moléculas diatómicas tienen orden de enlace 3?
N₂, CO, CN⁻ y NO⁺. Todas tienen 14 electrones y la configuración KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p².
¿Por qué no existe el He₂?
El He₂ tiene 2 electrones enlazantes y 2 antienlazantes, así que su orden de enlace es 0. No hay enlace neto. El He₂⁺ tiene orden de enlace 0,5 y sí existe.
¿El B₂ es paramagnético o diamagnético?
El B₂ es paramagnético, con 2 electrones desapareados, uno en cada orbital π2p. Esto solo ocurre si π2p está por debajo de σ2p, así que el B₂ es una prueba de la mezcla s–p.