Qual é o significado do termo superposição de orbitais? Quais os conceitos incorporados na teoria da ligação de valência?

Passo 1

O enunciado pede para explicarmos dois pontos da teoria quântica de ligação química: ( 1) o que se entende por “superposição de orbitais” e ( 2) quais são os conceitos-chave incorporados na teoria da ligação de valência. Para isso vamos usar o princípio de superposição da mecânica quântica e os pilares conceituais do modelo de ligação de valência em química.

Passo 2

O termo superposição de orbitais decorre do princípio de superposição em mecânica quântica, que diz que, se \phi_{1},\phi_{2},\dots são autoestados (por exemplo, orbitais atômicos), então qualquer combinação linear desses autoestados também é um estado válido. Em fórmula:
\Psi = \sum_{i} c_{i}\,\phi_{i},
onde os c_{i} são coeficientes (complexos, em geral) determinados pelas condições de contorno e normalização. Aplicado à química, isso significa que podemos misturar (“superpor”) orbitais atômicos de diferentes energias ou orientações para construir novos orbitais que melhor descrevem a distribuição eletrônica em uma molécula.

Passo 3

Na prática química essa superposição de orbitais aparece de duas maneiras principais:
– Formação de orbitais híbridos em um mesmo átomo (por exemplo, combinar \mathrm{s} e \mathrm{p} para gerar orbitais \mathrm{sp}, \mathrm{sp^{2}} ou \mathrm{sp^{3}}) de modo a explicar a geometria molecular.
– Formação de orbitais moleculares na teoria \mathrm{LCAO\!-\!MO}, onde orbitais atômicos de átomos diferentes se combinam para criar orbitais ligantes e antiligantes.

Passo 4

A teoria da ligação de valência incorpora os seguintes conceitos-chave:
1 Sobreposição de orbitais atômicos: a força de uma ligação covalente cresce com o grau de sobreposição entre orbitais que contêm elétrons desemparelhados.
2 Emparelhamento de spins: para que dois elétrons formem um par de ligação, eles devem ter spins antiparalelos, conforme o princípio de exclusão de Pauli.
3 Hibridização de orbitais: combinação de orbitais atômicos de um mesmo átomo para gerar orbitais novos, direcionados de acordo com a geometria observada (ligeiramente mais estáveis ao formar ligações).
4 Ressonância: muitas moléculas não são bem descritas por uma única estrutura de Lewis; em vez disso, a verdadeira função de onda é uma superposição de várias estruturas de valência, o que confere estabilidade extra.
5 Energia de troca: em certos casos a troca de posições de elétrons de spins paralelos entre orbitais sobrepostos gera uma estabilização adicional da molécula.

Resposta

Superposição de orbitais
É a combinação linear de orbitais atômicos (autoestados) em novos orbitais, segundo
\Psi=\sum_{i}c_{i}\phi_{i},
permitindo formar híbridos ou orbitais moleculares que descrevem melhor a molécula.
Conceitos incorporados na teoria de ligação de valência
– Sobreposição de orbitais atômicos com elétrons desemparelhados;
– Emparelhamento de spins antiparalelos para formar ligações;
– Hibridização ( \mathrm{sp}, \mathrm{sp^{2}}, \mathrm{sp^{3}}, etc.) para explicar geometria;
– Ressonância como superposição de estruturas de valência;
– Estabilização extra via energia de troca.

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