Descubierta una nueva regla para la formación de orbitales en la reacción química
Chirriantes, turbios o esféricos, los orbitales electrónicos muestran dónde y cómo se mueven los electrones alrededor de los núcleos atómicos y las moléculas. En la química y la física modernas, han demostrado ser un modelo útil para la descripción mecánica cuántica y la predicción de las reacciones químicas. Sólo si los orbitales coinciden en espacio y energía pueden combinarse - esto es lo que ocurre cuando dos sustancias reaccionan químicamente entre sí. Además, hay otra condición que debe cumplirse, como han descubierto ahora los investigadores del Forschungszentrum Jülich y la Universidad de Graz: El curso de las reacciones químicas parece depender también de la distribución orbital en el espacio del momento. Los resultados se han publicado en la revista Nature Communications.
La distribución experimental del momento de los fotoelectrones del cobre puro y de las moléculas de paraquinquenilo adsorbidas en el cobre (izquierda) y la distribución teórica del momento de las moléculas libres y adsorbidas en el cobre (derecha).
Forschungszentrum Jülich / X.Yang, S. Soubatch; Graz University / P. Puschnig
Las reacciones químicas no son, en última instancia, más que la formación y ruptura de enlaces de electrones, que también pueden describirse como orbitales. La llamada teoría de los orbitales moleculares permite, por tanto, predecir la trayectoria de las reacciones químicas. Los químicos Kenichi Fukui y Roald Hoffmann recibieron el Premio Nobel en 1981 por simplificar enormemente el método, lo que llevó a su uso y aplicación generalizados.
"Normalmente, se analiza la energía y la localización de los electrones. Sin embargo, con el método de tomografía de fotoemisión, observamos la distribución del momento de los orbitales", explica el Dr. Serguei Soubatch. Junto con sus colegas del Instituto Peter Grünberg (PGI-3) de Jülich y de la Universidad de Graz (Austria), adsorbió varios tipos de moléculas en superficies metálicas en una serie de experimentos y cartografió el momento medido en el llamado espacio de momento.
"La fotoemisión de muchas moléculas diferentes sobre metales que medimos también puede predecirse teóricamente. Como modelo, se utiliza simplemente la molécula libre que no interactúa con el metal. Pero cuando medimos los oligofenilos sobre el cobre, nos dimos cuenta de repente de que el resultado experimental difería significativamente de las predicciones teóricas. Ciertas partes del espacio de momento permanecían desocupadas", dijo Soubatch. Estas regiones de momento coinciden con las brechas de banda conocidas de los estados electrónicos que suelen darse en los metales nobles. Y uno de los materiales implicados, el cobre, es también un metal noble.
Para el trabajo, los investigadores realizaron experimentos en el Sincrotrón Elettra de Trieste (Italia). Allí, un consorcio internacional dirigido por Forschungszentrum Jülich opera el espectroscopio NanoESCA en una línea de luz que contiene un microscopio electrónico de fotoemisión para realizar mediciones tomográficas orbitales. El trabajo se llevó a cabo en colaboración con el Prof. Michael. G. Ramsey y el teórico Prof. Peter Puschnig de la Universidad de Graz. Con sus simulaciones de mecánica cuántica para todo el sistema que interactúa, moléculas y superficie metálica, Peter Puschnig proporcionó la clave para explicar el criterio de selección recién descubierto.
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