Por qué Todos los Orbitales son Híbridos

Ok, poneros en esta situación: un buen dia vais a clase de química y el profesor os

cuenta algo muy raro. Estáis en el tema de los átomos, y os ha explicado cómo los electrones

están indefinidos dentro de ellos en estas nubes llamadas “orbitales”. Además os

ha contado que hay muchos tipos de orbitales, y que su forma depende de unos ciertos números,

que básicamente están designando la energía y el momento angular de ese electrón. Pero

resulta, os cuenta, que hay veces, cuando los átomos se unen para formar moléculas,

unos orbitales llamados “s” y otros llamados “p” hacen “puf” y se ¿fusionan? en

unos orbitales nuevos llamados orbitales híbridos. Esto a mi me deja tocadísimo, ¿cómo que

fusionar? los orbitales no son cajitas dónde almacenas electrones, como si pudieras sacarlos,

mezclar los orbitales y luego volver a meterlos. ¡No! Los orbitales SON los propios electrones:

fusionar orbitales es lo mismo que fusionar sus electrones y eso no tiene ningún sentido.

Además, estos orbitales híbridos ¿qué números cuánticos tienen? ¿de dónde han

salido realmente? Creo que hay mucha confusión con los orbitales

híbridos, cuando realmente solo son una manera distinta de pensar en los átomos. Aclararé

esto, pero primero tenemos que aprender sobre algo crucial: la piratería.

Imaginaos a tres corsarios que acaban de enterrar un tesoro en una isla desierta. Ahora están

discutiendo cómo hacer el mapa que marque dónde lo han colocado. Los tres están de

acuerdo que el punto de partida tiene que ser la palmera, pero cuando se trata de decidir

cuántos pasos hay que dar y hacia dónde, cada uno piensa algo distinto.

Para el primer pirata el cofre está claramente a seis pasos al norte y cuatro pasos al este.

Sin embargo, el segundo pirata opina distinto. El piensa que en vez de usar los puntos cardinales,

se utilicen como referencia la tortuga y la roca. En este caso el tesoro estaría a 3

pasos hacia la tortuga y luego 5 pasos paralelos al camino a la roca.

El tercer pirata también es un verso libre, pero tiene una opinión intermedia: considera

que es lógico utilizar el norte, pero la roca se ve tan bien que sería una lástima

desperdiciarla. Por tanto el diría que el tesoro está a 3 pasos hacia el norte y 4

pasos paralelos a la roca. El mismo tesoro y tres maneras distintas de

decir dónde está. ¡Y todas son igual de válidas! Cada una de estas formas se llama

la base y sin una elección de base no podríamos ubicar las cosas en el espacio.

Bien, pues al hablar de objetos cuánticos pasa exactamente lo mismo. Si visteis mi vídeo

sobre las infinitas maneras de crear un gato de Schrodinger, ya sabréis que estas extrañas

superposiciones cuánticas se suelen expresan como la posición del tesoro: “no se cuantas”

veces gato vivo y “no se cuantas” veces gato muerto. Pero yo podría haber elegido

otra manera de hablar de esta mezcla, podría haber escogido otra base, por ejemplo escogiendo

estos dos gatos superpuestos y viendo cuantos “pasos” hacen falta para llegar hasta

nuestro “gato tesoro”. ¡Esto es igual de válido! Y, como antes, el tamaño de cada

flecha está reflejando la probabilidad de que el gato colapse a uno de ellos si hago

el procedimiento correcto. En el caso de los electrones, en vez de “gato

vivo” y “gato muerto”, tenemos las distintas formas de los orbitales. Y es que los electrones

a veces adquieren orbitales que no son iguales a los que tenemos catalogados con los números

cuánticos, nuestra base original, al igual que el gato puede estar muchos más estados

que “vivo” y “muerto”. Lo que hacen es estar superpuestos en varios de ellos,

creando mezclas cuánticas de los orbitales de la base original.

Ejemplo: Voy coger el orbital con menos momento angular de todos, el llamado orbital s, y

dos de los orbitales siguientes, con un poquito más de momento angular. Con estos tres yo

puedo formar una base y hablar perfectamente de ciertos electrones superpuestos, pero a

lo mejor me interesa escoger otros; escoger otra base. Por ejemplo, hacer por un lado

una mezcla de los orbitales con momento angular y por otro hacer otra mezcla similar solo

que con número complejos. Estos dos orbitales combinados pueden usarse perfectamente para

hablar de electrones superpuestos, como antes, pero es más: es que si visualizas cómo son

estos dos orbitales mezcla, te das cuenta que sus lóbulos forman una cruz. Si además

añades al grupo el orbital de momento angular mínimo que quedaba, tienes a los tres ejes

espaciales marcados por orbitales. Estos son los famosos p_x, p_y y p_z, los orbitales

p. Y cuando los químicos tiene que hacer su trabajo utilizan mucho más la base de

orbitales p que la otra. ¿Por qué? ¡Sed prácticos! Si tuvieras un material en el

que los átomos estuvieran colocados como en una cuadrícula y supieras que los orbitales

van a tener una forma que intente conectar cada átomo con sus vecinos, escogerías la

base de orbitales p pues es lo que más se parece a la realidad que estás tratando.

Es como si tuvieras el tesoro enterrado aquí, ¿te pondrías contar pasos hacia la tortuga

y la roca? ¡No! 5 pasos al norte y así de fácil.

Por una razón parecida los químicos utilizan otras bases: por ejemplo cuando un átomo

de boro se une a tres átomos de fluor uno espera que todos los enlaces formen una especie

de triángulo, nada que ver con la forma en cruz de los orbitales p. Yo podría expresar

estos “orbitales triángulo” a base de calibrar orbitales s y p, pero es preferible

mezclar los orbitales p_x y p_y para formar una nueva base, esta vez añadiendo un ingrediente

extra: el orbital s. Es por eso que estos nuevos orbitales se llaman sp^2. Y existen

otros dependiendo de cuantas “p”s mezcles: el sp^1, el sp^3… Incluso están los “spd”

en los que has mezclados orbitales con momento angular aún más alto, todo para intentar

reproducir lo mejor posible la forma de la molécula con la que trabajas. Todos estos

orbitales se llaman Orbitales Híbridos; un nombre bastante relativo. Sí, la base sp^2

la puedo obtener hibridando la base de los p, pero también puedo hibridar la base sp^2

para obtener la base de los p, o si quiero incluso la base original. Es un camino ambas

direcciones en el que nadie puede llamarse “de pura raza”: esa el clave. Todas las

bases sirven para describir cualquier orbital, puede que algunas sean más prácticas que

otras dependiendo de la situación, pero en esencia son solo maneras distintas de decir

dónde está el tesoro. Aunque tengo que poner un “pero”: la base

original a diferencia de las otras tiene los números cuánticos definidos. Cuando empiezas

a mezclar los elementos de la base original para forma la base de los p, estás combinando

orbitales con el número “m” distinto. Eso quiere decir que, por ejemplo, p_x tiene

indeterminado “m”, está superpuesto entre esos dos valores. A efectos prácticos has

perdido ese número cuántico y has ganado en incertidumbre. Y cuando creas una base

híbrida al combinar orbitales s con orbitales p estás también mezclando orbitales con

distinto momento angular, superponiendo esa cantidad también e indefiniendola.

Vamos, que es solo la base original la que tiene los cuatro números cuánticos que a

nosotros nos importan intactos, la que nos permite saber la probabilidad de medir cantidades

relevantes, certezas que nos ayudan a entender mejor este mundo atómico.

Seguiremos hablando de él en próximos vídeos. Y recuerda, si quieres más ciencia solo tienes

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