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Etapas de las reacciones químicas: ¿Por qué es tan crítica la técnica de orbitales atómicos de combinación lineal?
En el campo interdisciplinario de la química y la física, la tecnología de orbitales atómicos de combinación lineal (LCAO) siempre ha sido una herramienta importante para comprender las estructuras moleculares y los procesos de reacción química. Esta técnica es un método fundamental en la química cuántica, que permite a los científicos calcular las propiedades de los orbitales moleculares a partir de las superposiciones de orbitales atómicos. Desde que Sir John Leonard-Jones la propuso por primera vez en 1929, la tecnología LCAO ha estado profundamente involucrada en el estudio de diversas reacciones químicas y, con el avance de la química computacional, esta tecnología se ha vuelto cada vez más importante.
La función de onda de la configuración electrónica describe el comportamiento y la distribución de los electrones dentro de un átomo.
En mecánica cuántica, la configuración electrónica de un átomo se considera una función de onda. Estas funciones de onda son el conjunto de funciones básicas que describen los electrones del átomo. Cuando ocurre una reacción química, estas funciones de onda cambian según los tipos de átomos que participan en el enlace químico. Esto significa que la forma de la nube de electrones cambia a medida que cambian los átomos, por lo que podemos utilizar la técnica LCAO para comprender estos cambios y su impacto en las reacciones químicas.
Se supone que el número de orbitales moleculares (MO) es igual al número de orbitales atómicos (AO) incluidos en la expansión lineal. En otras palabras, n orbitales atómicos se pueden combinar en n orbitales moleculares. Para cada orbital molecular i, se puede escribir como:
Entre ellos, φ_i es el orbital molecular, χ_r representa el orbital atómico y c_{ri} representa el coeficiente de ponderación de contribución. Estos coeficientes pueden reflejar la contribución de diferentes orbitales atómicos a los orbitales moleculares. Utilizando el método Hartley-Fokke, podemos calcular los valores de estos coeficientes y derivar la energía total del sistema molecular.
El uso de métodos LCAO puede ayudar a los investigadores a predecir y explicar las propiedades de las moléculas y los mecanismos de sus reacciones químicas.
Con el desarrollo de la química computacional, el método LCAO no es solo una simple optimización de la función de onda, sino también un método de discusión cualitativa que puede proporcionar un contexto de predicción y racionalización de los resultados obtenidos por los métodos modernos. Este método se basa en comparar las energías de los orbitales atómicos de átomos individuales (o fragmentos moleculares) y aplicar algunas reglas conocidas, como la "repulsión del nivel de energía", para deducir la forma de los orbitales moleculares y sus energías.
En este proceso, la simetría molecular juega un papel importante. A través de la simetría, podemos utilizar la llamada "combinación lineal adaptativa de simetría (SALC)" para explorar la geometría molecular. Por ejemplo, primero se debe clasificar una molécula en un determinado grupo de puntos. El resultado de cada operación afecta el número de enlaces que no se mueven. Esta característica se llama carácter. En un análisis más detallado, se puede descomponer en representaciones irreducibles utilizando representaciones reducibles, y estas representaciones irreducibles corresponden a las simetrías orbitales en los procesos participantes.
El diagrama de orbitales moleculares proporciona un método de procesamiento cualitativo simple de LCAO para ayudarnos a comprender la reactividad y las características estructurales de las moléculas.
En la práctica, el método Hückel, el método Hückel ampliado y el método Pariser-Parr-Pople proporcionan algunas teorías cuantitativas para ayudar en futuras investigaciones. Estos métodos brindan un fuerte apoyo a la tecnología LCAO y permiten una comprensión más profunda de los enlaces químicos y las reacciones químicas. ¿Cómo aplicarán las investigaciones futuras esta tecnología para dilucidar sistemas moleculares más complejos y sus mecanismos de reacción?
