El modelo más sencillo y más comúnmente enseñado de un enlace químico lo trata como un par de electrones localizado entre dos átomos concretos; esta es la esencia de la teoría del enlace de valencia, y es una forma realmente útil e intuitiva de pensar en la mayoría de los enlaces simples. La teoría de orbitales moleculares ofrece un modelo fundamentalmente distinto y más riguroso desde el punto de vista matemático: en lugar de tratar los electrones como pertenecientes a un enlace entre dos átomos concretos, los trata como si ocuparan orbitales que se extienden por toda la molécula, construidos combinando los orbitales atómicos originales de cada átomo participante en nuevos orbitales que abarcan toda la molécula y en los que realmente residen los electrones.
Combinar orbitales atómicos produce orbitales que abarcan toda la molécula
La teoría de orbitales moleculares parte de los orbitales atómicos de los átomos individuales que componen una molécula y los combina matemáticamente para producir un nuevo conjunto de orbitales moleculares, cada uno de ellos repartido por toda la molécula en lugar de confinado a un único enlace entre dos átomos concretos. Combinar dos orbitales atómicos produce dos orbitales moleculares nuevos: un orbital enlazante de menor energía, en el que la combinación refuerza la densidad electrónica entre los dos núcleos de un modo que los mantiene unidos, y un orbital antienlazante de mayor energía, en el que la combinación, por el contrario, reduce la densidad electrónica entre los núcleos de un modo que, de llenarse, actuaría en contra de que los átomos permanecieran unidos. Los electrones llenan después estos nuevos orbitales moleculares de menor a mayor energía, siguiendo esencialmente las mismas reglas de llenado que se usan para los orbitales atómicos, y es el equilibrio concreto entre cuántos electrones acaban en orbitales enlazantes frente a antienlazantes lo que determina la fuerza de enlace y la estabilidad reales de una molécula.
Lo que el modelo deslocalizado predice y el modelo más sencillo no puede
Como la teoría de orbitales moleculares trata los electrones como genuinamente deslocalizados por toda la molécula en lugar de confinados a enlaces individuales entre dos átomos, puede predecir correctamente varias propiedades moleculares reales que al modelo más sencillo y localizado del enlace de valencia le cuesta explicar con claridad, entre ellas el comportamiento magnético real del oxígeno molecular —una propiedad física real derivada de electrones desapareados que la teoría de orbitales moleculares predice correctamente pero que el modelo más sencillo del par de electrones no explica de forma directa— y el comportamiento de moléculas con sistemas extendidos de enlaces alternantes, en las que los electrones implicados demostrablemente no están confinados a ninguna ubicación de enlace concreta como la que les asignaría el modelo más sencillo. Por eso la teoría de orbitales moleculares, pese a ser matemáticamente más exigente de desarrollar que el modelo más sencillo del enlace de valencia, se ha convertido en el marco estándar de la química más avanzada y computacional, aunque el modelo más sencillo sigue siendo realmente útil como primera aproximación rápida e intuitiva para muchas cuestiones cotidianas de enlace.
Lo que todavía no tenemos claro
El marco matemático central de la teoría de orbitales moleculares, y su capacidad demostrada para predecir correctamente propiedades como el comportamiento magnético del oxígeno molecular que el modelo más sencillo del enlace de valencia pasa por alto, son química cuántica bien establecida y ampliamente verificada. Lo que sigue siendo un área de investigación genuinamente activa en química computacional es cómo lograr que los cálculos de orbitales moleculares para moléculas muy grandes y complejas —proteínas, o grandes catalizadores industriales, por ejemplo— sean a la vez precisos y viables desde el punto de vista computacional, ya que los cálculos implicados se vuelven considerablemente más exigentes a medida que aumenta el tamaño y la complejidad de una molécula, y los químicos siguen desarrollando activamente nuevos métodos de aproximación computacional que sacrifican algo de precisión a cambio de poder modelar sistemas reales mucho más grandes en un tiempo de cálculo razonable.
Esto forma parte de Química Cuántica y Orbitales Moleculares, uno de los siete temas de Química Física, uno de los seis ámbitos de Química, una de las diecisiete asignaturas sobre las que la aplicación puede ponerte a prueba.