La luz está compuesta de campos eléctrico y magnético oscilantes que se propagan a velocidades de 3x108 m/s. La longitud de onda y frecuencia son parámetros importantes de la luz, y cada rayo de luz tiene una única combinación de ellos. Las moléculas pueden absorber fotones para excitarse a estados energéticos más altos. Los diagramas de orbitales moleculares muestran los niveles de energía de los electrones en una molécula.

1. Aspectos derivados de la Mecánica Cuántica
importantes para el curso de Química Analítica 3.
La luz está compuesta por un campo magnético y uno eléctrico (de allí que
se le denomine también radiación electromagnética) oscilantes y dispuestos
perpendicularmente que se propagan en línea recta a una velocidad c = 3 x 108
m/s en el vacío.
Son parámetros importantes de un rayo de luz la longitud de onda λ y la
frecuencia ν. La primera nos indica el tamaño de la onda medido en unidades de
longitud; la frecuencia indica el número que de estas ondas pasan por un
determinado punto en un segundo al moverse el rayo de luz. Un rayo de luz
posee una única combinación de longitud de onda y frecuencia, por lo que no
existen por ejemplo dos rayos de luz con diferente λ y la misma ν.
Los rayos de luz son capaces de transmitir energía: la unidad
transportadora de energía es el fotón:
Efotón = hν = hc/λ
Las moléculas de una muestra por
ejemplo pueden absorber un fotón (también
llamado cuanto de luz) para modificar su
estado; al ocurrir esto, se dice que la molécula
se ha excitado, y cuando esta energía
adicional se disipa el sistema nuevamente
regresa al estado basal. Cada molécula puede
absorber un fotón cada vez para excitarse, y lo
que le ocurre en el estado excitado depende
de l tipo de radiación con el que interacciona.
G fotón
Efotón
molécula
en el
estado
basal
molécula
en el
estado
excitado

2. Los fotones de la radiación ultravioleta cercano (200 – 400 nanómetros) y
de la luz visible (400 a 750 nm) efectúan un fenómeno denominado transición
electrónica, que ocasiona que los electrones de mayor contenido energético de
una molécula cambien la manera en la que circulan. Esto involucra que los
electrones que se encuentran en un determinado orbital molecular pasen a
circular en otro de mayor energía que se encuentre vacío.
Un orbital molecular es un espacio en el que circulan los electrones en una
molécula. Dichos orbitales son análogos a los orbitales atómicos (1s, 2s, 2p, 3s,
etc.) y se generan a partir de argumentos basados en la Mecánica Cuántica
mezclando los orbitales de los átomos que constituyen la molécula. Por ejemplo,
en el caso de la molécula de hidrógeno, H2, sus orbitales moleculares se
constituyen al combinar los orbitales 1s de cada átomo de hidrógeno
formándose dos nuevos orbitales moleculares; al de menor energía se le
denomina σ (o de enlace) y al de mayor energía σ* (de antienlace). Los orbitales
moleculares pueden ser π (pi de enlace), π* (pi de antienlace) o n (no enlazantes).
Como dato adicional, los electrones en un orbital de enlace se encargan de
mantener unidos a los átomos y, por tanto, refuerzan la estabilidad de la
molécula; en un orbital de antienlace, por el contrario, los electrones se encargan
de destruir a la molécula, y en uno de no enlace los electrones ni estabiulizan ni
desestabilizan a la molécula. Vale mencionar que en las moléculas en realidad los
orbitales de enlace por regla general siempre están llenos, mientras que los de
antienlace se encuentran despoblados de electrones.
Los orbitales moleculares se representan en diagramas donde a cada uno
de ellos le corresponde una línea al lado de su nombre: entre más arriba se
encuentre, mayor contenido energético posee. No todos los orbitales
moleculares de una molécula son de interés para el químico: por ejemplo, en el
Orbital de enlace
Orbital de antienlace

3. caso del benceno, de la multitud que posee, sólo nos interesan seis: los tres de
enlace que poseen el mayor contenido energético (π1, π2 y π3) y los tres de
antienlace que poseen el menor contenido energético (π∗4, π∗5 y π∗6). Los tres
primeros se hallan ocupados y los siguientes tres se hayan vacíos (no poseen
electrones) si consideramos la molécula de benceno en su estado basal. El
diagrama correspondiente es el siguiente.
Advierte que algunos orbitales moleculares aparecen a la misma altura: π2 y π3
por ejemplo. Ello indica que poseen el mismo contenido energético. tampoco
aparecen los asteriscos asociados a los orbitales de alntienlace.
¿Cómo aprovechar la información que nos da este diagrama? Suponte que
la molécula de benceno recibe luz cuyos fotones poseen un contenido
energético exactamente de la misma magnitud que la diferencia de energía que
hay entre el nivel energético que poseen los orbitales π2 y π3 y el que poseen los
π4 y π5. Entonces puede ocurrir una transición, que los químicos representan de
manera simplificada así:
o, más formalmente, así:
fotón

4. π1(2) π2(2) π3(2) π∗4(0) π∗4(0) π∗4(0) → π1(2) π2(2) π3(0) π∗4(2) π∗4(0) π∗4(0)
o bien una segunda posibilidad, indistinguible de la anterior (y de hecho, habría
otras dos más…¿cuáles?):
π1(2) π2(2) π3(2) π∗4(0) π∗4(0) π∗4(0) → π1(2) π2(2) π3(0) π∗4(0) π∗4(2) π∗4(0)
Esta absorción se puede registrar en un espectrofotómetro de UV-visible como
un máximo de absorción.
Lo anterior quiere decir que al absorber un fotón, dos electrones que se ubican
en el nivel de ocupación electrónica con el mayor contenido energético la
molécula de benceno pasan transitoriamente a circular al nivel con desocupación
electrónica de menor contenido energético.