¿Qué es un orbital antienlazante?

Un orbital antienlazante (también llamado orbital de antienlace) es un tipo de orbital molecular caracterizado por poseer un mayor nivel de energía y por lo tanto ser menos estable que los orbitales atómicos que se combinaron para darle origen. Por esta razón, se trata de un orbital que, al alojar electrones, hace a la molécula menos estable y al enlace menos fuerte.

De hecho, la presencia de electrones en orbitales antienlazantes reduce el orden de enlace covalente entre dos átomos, y es de allí de donde proviene el «anti» de antienlazante.

Para comprender mejor el concepto de orbital antienlazante necesitamos visitar brevemente la teoría de orbitales moleculares, dentro de la cual se enmarcan este tipo de orbitales.

Teoría de orbitales moleculares

Existen varias teorías que buscan explicar las características observadas de los enlaces químicos. Las dos teorías más difundidas son la teoría del enlace valencia y la teoría de orbitales moleculares. Esta última establece que cuando dos átomos se enlazan químicamente entre sí, sus orbitales atómicos se combinan para formar un conjunto nuevo de orbitales que ya no pertenecen a cada átomo por separado, sino que le corresponden a la molécula completa. En otras palabras, se forma un conjunto o set de orbitales moleculares.

En pocas palabras, así como los átomos tienen orbitales atómicos, las moléculas, al formarse, forman también orbitales moleculares en los que se distribuyen todos los electrones de los átomos que conforman a la molécula. La manera en la que los electrones llenan estos orbitales moleculares representa el equivalente molecular de la configuración electrónica de los átomos, y determina en gran medida las propiedades de las moléculas.

Formación de los orbitales moleculares

Los orbitales moleculares se forman por la combinación lineal de los orbitales atómicos. Desde el punto de vista matemático, esto significa que un orbital molecular está representado por una función de onda que se obtiene por la combinación lineal de las funciones de onda de los orbitales atómicos de dos átomos enlazados por medio de un enlace covalente.

En términos generales, mientras más parecidos en energía sean los dos orbitales atómicos que se están combinando, mejor se combinarán, por lo que en una molécula diatómica homonuclear (formada por dos átomos del mismo elemento) el orbital 1s de un átomo se combinarán perfectamente con el orbital 1s del otro, luego se combinarán los 2s con los 2s, luego los 2p con los 2p y así sucesivamente.

Orbitales moleculares enlazantes y antienlazantes

La mecánica cuántica establece una serie de reglas que dictan la manera en la que se combinan los orbitales atómicos para dar origen a nuevos orbitales moleculares. Para empezar, estas reglas indican que el número de orbitales moleculares que se forman siempre debe ser igual al número de orbitales atómicos que se combinaron.

Por otro lado, al combinarse dos orbitales atómicos, uno de los orbitales moleculares que se forma siempre posee menor energía y el otro mayor energía que los orbitales atómicos originales. En los casos en los que se combinan varios orbitales atómicos de un mismo subnivel (por ejemplo, tres orbitales p o cinco orbitales d), se formarán también un número equivalente de orbitales moleculares, la mitad de ellos con menor energía y la otra mitad con mayor energía. Sin embargo, la distribución de la energía de estos orbitales puede ser compleja, dependiendo de los átomos en particular que se estén combinando, como se muestra en la siguiente figura.

En cualquiera de los casos, ubicar electrones en los orbitales moleculares de mayor energía desestabiliza la molécula y debilita el enlace covalente entre ambos átomos. Es decir, el conjunto de orbitales moleculares de mayor energía que se forma al combinar orbitales atómicos corresponde a los orbitales moleculares antienlazantes. Estos orbitales se identifican colocando un asterisco de superíndice al símbolo del orbital.

Los orbitales antienlazantes y la interferencia destructiva

Como se mencionó antes, la combinación de orbitales atómicos es una combinación de funciones de onda. Esto quiere decir que el orbital molecular es, en esencia, el resultado de la interferencia de dos ondas y, como sucede siempre en estos casos, esta interferencia puede ser constructiva o destructiva, dependiendo de si las dos ondas están en fase o no.

En este sentido, se pueden dar dos casos extremos al formar orbitales moleculares:

1. Que, entre los dos núcleos atómicos, ambos orbitales estén en la misma fase y se dé, por lo tanto, una interferencia constructiva. En este caso, se obtiene un orbital molecular en el que los electrones tienen una alta probabilidad de encontrarse entre los dos átomos, representando así un orbital molecular enlazante.
2. Que los dos orbitales atómicos estén en fases opuestas, por lo que se da la interferencia destructiva con la formación de un nodo entre los dos núcleos (es decir, que la función de onda se hace cero en el punto medio entre los dos núcleos). En este caso, la probabilidad de conseguir un electrón entre los dos átomos es cero, por lo que estos orbitales representan orbitales moleculares antienlazantes.

Orbitales antienlazantes σ (sigma) y π (pi)

La teoría de orbitales moleculares toma prestados algunos conceptos de la teoría del enlace valencia. Según esta teoría, los orbitales se pueden solapar de manera frontal cuando los orbitales atómicos están alineados a lo largo del eje del enlace, o de manera lateral, cuando los orbitales atómicos están orientados de forma paralela. Según la teoría de enlace valencia, esto da origen a dos clases de enlaces químicos, que son los enlaces σ (sigma) y los enlaces π (pi).

Desde el punto de vista de la teoría de orbitales moleculares, este solapamiento se interpreta como la formación de orbitales moleculares σ y π. Esto quiere decir que, al formarse una molécula, se pueden formar tanto orbitales moleculares σ y π enlazantes, como orbitales moleculares σ y π antienlazantes. Los orbitales π antienlazantes solo se pueden formar entre orbitales atómicos p, d o f, pero no entre orbitales s.

Los orbitales antienlazantes y el orden de enlace

Una de las razones por la que los orbitales antienlazantes reciben su nombre se debe a que ubicar electrones en estos orbitales debilita el enlace covalente entre dos átomos. Esto sucede porque la presencia de estos electrones reduce el orden de enlace, el cual representa el número de pares de electrones efectivamente compartidos entre dos átomos enlazados. El orden de enlace se puede calcular por medio de la siguiente ecuación:

Donde e_enl. representa el número de electrones en orbitales moleculares enlazantes (electrones enlazantes) y e^*_antienl representa el número de electrones en orbitales antienlazantes (electrones antienlazantes). Mientras mayor es el número de electrones antienlazantes, menor será el orden de enlace.

En el caso en el que ambos números de electrones sean iguales, el orden de enlace es cero, por lo que los átomos no se pueden enlazar entre sí. Esto es justamente lo que sucede en el caso de los gases nobles, los cuales tienen sus capas electrónicas completamente llenas, explicando así por qué no existen moléculas de helio, neón, argón, etc.

Ilustración de la formación de orbitales antienlazantes

La siguiente figura muestra la formación de orbitales moleculares cuando dos átomos iguales del segundo período de la tabla periódica se combinan para formar una molécula diatómica homonuclear.

Como se puede observar, la combinación de dos orbitales atómicos siempre genera dos orbitales moleculares, por lo que, si se combinan dos átomos con electrones en 5 orbitales atómicos, como los de la figura anterior, se producirán en total diez orbitales moleculares. Como se puede observar, de los diez orbitales moleculares, tres son orbitales σ antienlazantes mientras que 2 son orbitales π antienlazantes. La otra mitad son orbitales enlazantes.

Para ilustrar lo anterior, a continuación, se muestra la formación de la molécula de nitrógeno (N₂), el elemento 7 de la tabla periódica y un elemento del segundo período.

En este ejemplo, la configuración electrónica de la molécula es

En función a esta configuración electrónica, podemos determinar que el orden de enlaces es:

Lo que indica que la molécula de nitrógeno consiste en dos átomos de este elemento enlazados entre sí por medio de tres pares de electrones o, lo que es lo mismo, por un enlace triple.

Referencias

Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Química física (8th ed.). Editorial Médica Panamericana.

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Química (11th ed.). McGraw-Hill Interamericana de España S.L.

Moreno, C. (2019, April 9). Teoría de Orbitales Moleculares. Bioprofe. https://bioprofe.com/teoria-de-orbitales-moleculares/

Orden de enlace. (n.d.). Química.ES. https://www.quimica.es/enciclopedia/Orden_de_enlace.html

Universidad Autónoma de México. (n.d.). Orbitales moleculares en el enlace químico. UNAM. https://amyd.quimica.unam.mx/pluginfile.php/6316/mod_resource/content/1/Whitten%20orbitales%20moleculares.pdf