A imagem mais simples e mais comummente ensinada de uma ligação química trata-a como um par de eletrões localizado entre dois átomos específicos — esta é a essência da teoria da ligação de valência, e é uma forma genuinamente útil e intuitiva de pensar na maioria das ligações simples. A teoria das orbitais moleculares oferece uma imagem fundamentalmente diferente e mais rigorosa do ponto de vista matemático: em vez de tratar os eletrões como pertencentes a uma ligação entre dois átomos específicos, trata-os como ocupando orbitais que se estendem por toda a molécula, construídas ao combinar as orbitais atómicas originais de cada átomo contribuinte em novas orbitais, à escala da molécula, nas quais os eletrões realmente residem.
Combinar orbitais atómicas produz orbitais à escala da molécula
A teoria das orbitais moleculares parte das orbitais atómicas dos átomos individuais que compõem uma molécula e combina-as matematicamente para produzir um novo conjunto de orbitais moleculares, cada uma delas espalhada por toda a molécula em vez de confinada a uma única ligação entre dois átomos específicos. Combinar duas orbitais atómicas produz duas novas orbitais moleculares: uma orbital ligante de energia mais baixa, em que a combinação reforça a densidade eletrónica entre os dois núcleos de uma forma que os mantém unidos, e uma orbital antiligante de energia mais alta, em que a combinação reduz, em vez disso, a densidade eletrónica entre os núcleos de uma forma que, se preenchida, atuaria contra os átomos permanecerem ligados. Os eletrões preenchem depois estas novas orbitais moleculares da energia mais baixa para a mais alta, seguindo essencialmente as mesmas regras de preenchimento usadas para as orbitais atómicas, e é o equilíbrio específico entre quantos eletrões acabam em orbitais ligantes versus antiligantes que determina a verdadeira força e estabilidade da ligação de uma molécula.
O que a imagem deslocalizada prevê que a imagem mais simples não consegue
Porque a teoria das orbitais moleculares trata os eletrões como genuinamente deslocalizados por toda a molécula, em vez de confinados a ligações individuais entre dois átomos, consegue prever corretamente várias propriedades moleculares reais que a imagem mais simples e mais localizada da ligação de valência tem dificuldade em explicar de forma limpa — incluindo o comportamento magnético real do oxigénio molecular, uma propriedade física real decorrente de eletrões desemparelhados que a teoria das orbitais moleculares prevê corretamente mas que a imagem mais simples do par de eletrões não explica de forma direta, e o comportamento de moléculas com sistemas alargados de ligações alternadas, em que os eletrões envolvidos demonstravelmente não estão confinados a nenhuma localização de ligação específica onde o modelo mais simples os colocaria. É por isso que a teoria das orbitais moleculares, apesar de ser matematicamente mais exigente de trabalhar do que a imagem mais simples da ligação de valência, se tornou o quadro de referência padrão na química mais avançada e computacional, ainda que a imagem mais simples continue genuinamente útil como uma primeira aproximação rápida e intuitiva para muitas questões de ligação do dia a dia.
Do que ainda não temos a certeza
O quadro matemático central da teoria das orbitais moleculares, e a sua capacidade demonstrada de prever corretamente propriedades como o comportamento magnético do oxigénio molecular que a imagem mais simples da ligação de valência não capta, são química quântica bem estabelecida e minuciosamente verificada. O que continua a ser uma área genuinamente ativa de investigação em química computacional é como tornar os cálculos de orbitais moleculares para moléculas muito grandes e complexas — proteínas, ou grandes catalisadores industriais, por exemplo — simultaneamente precisos e computacionalmente viáveis de realmente executar, já que os cálculos envolvidos se tornam dramaticamente mais exigentes à medida que o tamanho e a complexidade de uma molécula aumentam, e os químicos continuam a desenvolver ativamente novos métodos computacionais de aproximação que trocam alguma precisão pela capacidade de modelar sistemas reais muito maiores dentro de um tempo de computação realista.
Isto integra-se em Química Quântica e Orbitais Moleculares, um de sete tópicos em Química Física, um de seis domínios em Química, uma de dezassete disciplinas sobre as quais a app te pode fazer perguntas.