orbitales atómicos

Acabo de estudiar orbitales atómicos en una clase teórica de QM, y me quedan varias preguntas, que probablemente sean más preguntas sobre química cuántica:

  • Muchos orbitales parecen tener un eje preferido: ¿cómo se "elige" ese eje? ¿Se mueve constantemente o es en realidad una dirección fija en el espacio? ¿Por qué hay un eje cuando el problema es esféricamente simétrico? ¿La forma de los orbitales tiene alguna relación con la química?
  • Podemos ver lóbulos en direcciones preferidas: ¿realmente juegan un papel en las reacciones químicas, o tal vez en la cristalografía para la disposición de los cristales?
  • Si entiendo correctamente, los electrones en realidad están representados por superposiciones de armónicos esféricos; con una superposición arbitraria, la densidad de probabilidad para el electrón podría ser cualquier cosa. ¿Podemos realmente encontrar los coeficientes de la superposición en la que realmente se encuentra un electrón?
  • Por último, hay un orbital que tiene una alta probabilidad de que el electrón esté en el centro del núcleo (no recuerdo cuál), ¿es eso algo interesante?
Los orbitales no tienen eje preferido. Sin un campo de ruptura de simetría, la orientación de un átomo en el espacio libre no está definida. En los cálculos orbitales, los resultados están determinados por una elección aleatoria de fase, que generalmente se elige a lo largo de uno de los ejes de coordenadas para facilitar el análisis y la visualización. Eso es un truco matemático, no un fenómeno físico. Tan pronto como tenga más de un átomo en física, por supuesto, la simetría del espacio libre se rompe y los orbitales se alinearán para formar el estado de energía más bajo de la configuración.
¡Perfecto! Tiene mucho sentido: se necesita para cerrar la brecha entre la clase de teoría y lo que realmente sucede. Aparentemente, a la clase de teoría no podría importarle menos los "detalles" prácticos :-)
¿Es justo decir que los orbitales no están definidos para el espacio libre? La orientación del átomo no está definida, los orbitales en sí mismos no están definidos, y si no hay potencial, no hay interacción, ¿entonces no estamos observando nada de todos modos? No sabemos dónde están los electrones para el átomo libre, y ni siquiera podemos observar eso de todos modos.
Los orbitales atómicos están perfectamente definidos, pero si arrojas un montón de átomos con orbitales atómicos bien definidos al espacio libre, darán vueltas y el orbital promedio que uno mediría con algunos métodos (por ejemplo, dispersando la luz) podría parecer esférico. Sostenga los mismos átomos con las "pinzas" de un campo eléctrico o magnético en un conjunto alineado, y luego los orbitales comenzarán a aparecer en los datos de dispersión. Tenga en cuenta que en realidad no es tan simple... por ejemplo, las moléculas quirales mostrarán polarización y el polvo de cristal alineado al azar tiene picos de refracción de rayos X.
Gracias, eso es lo que pensé, en el espacio libre, prácticamente sería "esférico", no hay razón para que no sea simétrico, no porque no haya orbitales, sino porque el "eje preferido" en la mayoría de los orbitales es aleatorio en promedio.
CuriousOne: ¿podemos realmente observar orbitales con dispersión de luz?
No podemos observar los orbitales directamente, pero las simetrías de los sistemas de dispersión cambian la simetría de la distribución de la luz dispersada, por lo que hay efectos no triviales como la polarización de la luz por moléculas quirales (¡como las que se usan en su pantalla LCD!) y por muestras orientadas aleatoriamente como polvos de cristal en la difracción de rayos X. Aunque uno podría sospechar ingenuamente que la orientación aleatoria de átomos o moléculas (o ejes de cristal) destruye toda la información sobre simetrías internas, ese no es el caso. Sin embargo, eso no es lo mismo que "ver orbitales".
Gracias - grandes detalles. Completamente ausente de mi clase de teoría, y fascinante :-) Una pregunta más, ¿debo buscar en "química cuántica" para obtener detalles sobre eso? ¿Hay algún libro de referencia que pueda consultar?

Respuestas (2)

Con respecto a sus dos primeros puntos: el eje de simetría de un orbital es libre para un átomo libre. Si está unido a algún otro átomo a través de uno de estos orbitales unidimensionalmente alargados, la orientación de un orbital es fija.

Si toma, por ejemplo, carbono, silicio o germanio, tiene un orbital s y tres orbitales p, que están orientados perpendicularmente entre sí. Debido a que tienen una energía tan cercana, se hibridan y, por lo tanto, conducen a un híbrido an sp3. En una imagen simple, los electrones se repelen entre sí en la medida de lo posible, lo que conduce a la unión en una configuración tetraédrica con ángulos de enlace de 109,4 °. Por lo tanto, los orbitales atómicos influyen en la estructura cristalina o simetría.

Sinceramente, tu tercer punto no me queda claro.

No estoy seguro de lo que quieres decir con el cuarto. El "centro de masa" tiene diferentes espaciamientos con respecto al núcleo. Pero no debería haber un orbital, que tiene su mayor probabilidad ubicado en el núcleo. Esto significaría que los electrones se superponen con el núcleo, lo que no es energéticamente favorable.

¡Gracias! Mi tercer punto fue sobre los armónicos esféricos (lo siento, solo de computar cosas con Y yo metro , muy teórico, sin experiencia en química) siendo solo "estados puros" a partir de los cuales se construyen superposiciones, como si estuviera acostumbrado a construir funciones de onda | ψ ⟩ = a | + ⟩ + b | − ⟩ , por ejemplo (¡acaba de salir de la clase de teoría otra vez! :-)
El cuarto punto es solo de leer un fragmento de Wikipedia sobre "Orbitales atómicos": "Los orbitales s para todos los números n son los únicos orbitales con un antinodo (una región de alta densidad de función de onda) en el centro del núcleo Todos los demás orbitales (p, d, f, etc.) tienen un momento angular y, por lo tanto, evitan el núcleo (que tiene un nodo de onda en el núcleo)".

Intentaré responder a las dos últimas.

con una superposición arbitraria, la densidad de probabilidad para el electrón podría ser cualquier cosa. ¿Podemos realmente encontrar los coeficientes de la superposición en la que realmente se encuentra un electrón?

Estoy un poco confundido acerca de lo que quieres decir aquí. si nos dan | ψ ⟩ como una combinación de, digamos, | norte ℓ metro ⟩ estados, podemos usar eso para calcular qué armónicos esféricos están presentes, ya que sabemos (para átomos hidrogenados) cómo descomponer ψ ( X → ) = R norte ℓ ( r ) Y ℓ metro ( Ω ) . Claro, la densidad de probabilidad "podría ser" cualquier cosa, pero si quieres algo realmente extraño, es posible que tengas que diseñarlo. (Mire el trabajo reciente sobre los átomos de Rydberg para algunas superposiciones divertidas). Por otro lado, ¿quiere decir que, dado un electrón real en un átomo, hay una manera de medir directamente la distribución de probabilidad? Esa es una pregunta experimental mucho más difícil.

Por último, hay un orbital que tiene una alta probabilidad de que el electrón esté en el centro del núcleo (no recuerdo cuál), ¿es eso algo interesante?

En realidad, sí. Es el s ( ℓ = 0 ) orbital, porque cualquier momento angular lo mantendrá expulsado del núcleo. Esto se vuelve importante en la división hiperfina, donde el electrón interactúa con el momento magnético nuclear, y esto obviamente es mucho más fácil si pasas tiempo cerca del núcleo, por lo que el efecto es mayor.

Sí, mi pregunta es la experimental más difícil: la teoría está bien y ordenada, puedo hacer ejercicios todo el día donde se dan los coeficientes de superposición, pero ¿qué significa en la práctica en el laboratorio? Pero mi comprensión de la química cuántica, que cambia rápidamente, es que en ese punto, la pregunta se vuelve más para calcular aproximaciones para nubes de electrones alrededor de moléculas.
Parece que hay algunas cosas geniales hechas con microscopía de emisión de campo, pero no es realmente mi campo: solo estoy buscando en Google y pasando un enlace a lo largo de blogs.nature.com/news/2009/09/…
...alta probabilidad de que el electrón esté en... Siempre me he preguntado: en un experimento de difracción, hablamos de la probabilidad de detectar un electrón libre en algún lugar, pero ¿qué sentido tiene siquiera hablar de localizar un electrón que está unido a un átomo. No puedes detectarlo , entonces, ¿por qué hablar de otra cosa que no sea la forma de la ola?
@jameslarge No puede detectar el electrón, puede detectar los efectos de sus interacciones, por ejemplo, la división hiperfina. Un efecto más dramático es la aniquilación del positronio. El positronio es un estado ligado de un electrón y un positrón. Los orbitales son similares al hidrógeno, ya que el sistema tiene solo dos cargas, como el hidrógeno. Pero la función de onda del electrón tiene cierta amplitud en la posición del positrón. Los dos pueden (y lo hacen) interactuar, aniquilándose mutuamente.
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