Transiciones Electrónicas

Definición de transición electrónica

Es el momento que estabas esperando. Te has puesto a la cola y has pagado tu cuota; ahora es el momento de entrar en el juego. Levantas el pesado martillo y lo haces caer sobre la palanca, luego ves cómo el disco sube por la columna. Un metro, dos, tres... ¿llega arriba?

El movimiento del disco columna arriba, saltando de una altura a otra, es como una transición electrónica en química.

Exploremos esto con más detalle.

Cuando proyectas ondas electromagnéticas sobre un átomo o una molécula, le suministras energía en forma de fotones. Los electrones pueden absorber la energía de estos fot ones y utilizarla para saltar de una envoltura de electrones u orbital molecular, conocido como nivel de energía, a otro. Esta segunda envoltura de electrones u orbital molecular es un nivel de energía mucho mayor que el primero.

• Cuando el electrón se encuentra en el primer nivel de energía, más bajo, decimos que está en su estado fundamental.
• Cuando el electrón se encuentra en el segundo nivel de energía, más alto, decimos que está en su estado excitado.

Cada capa de electrones tiene un nivel de energía fijo. Por tanto, un salto de una envoltura energética a otra requiere una determinada cantidad de energía. La energía de una onda electromagnética depende de su longitud de onda, por lo que determinadas transiciones de electrones requieren determinadas cantidades de energía y absorben determinadas longitudes de onda de luz.

Podemos utilizar la técnica analítica de la espectroscopia para trazar un gráfico de la luz absorbida por un átomo, molécula o solución, separando las ondas luminosas por su longitud de onda. Este gráfico se conoce como espectro. A continuación, podemos utilizar el espectro para calcular la energía absorbida por el átomo, la molécula o la solución, y deducir las transiciones electrónicas que han tenido lugar.

Tipos de transición electrónica

Hemos mencionado que las ondas electromagnéticas pueden excitar los electrones de la capa externa, tanto los enlazados como los no enlazados. Estos electrones se encuentran en diferentes orbitales moleculares:

• Los electronesno enlazados se encuentran en orbitales moleculares no enlazados, representados por la letra n.
• Los electrones enlazados pueden ser sigma o pi. Estos electrones se encuentran en orbitales moleculares enlazantes o en orbitales moleculares antienlazantes.
  • Los orbitales de enlacesigma se representan con el símbolo σ, mientras que los orbitales de enlace pi toman el símbolo π.
  • Del mismo modo, los orbitales antienlazantes se representan con σ* y π* respectivamente.

Los orbitalesenlazantes tienen menor energía que los no enlazantes. Éstos, a su vez, tienen menor energía que los orbitalesantienlazantes. Puedes ver los niveles de energía relativos de los distintos orbitales moleculares en el diagrama siguiente:

Fig. 2 - Diagrama que muestra los niveles de energía relativos y el orden de los orbitales moleculares no enlazantes, enlazantes y antienlazantes.

En las transiciones electrónicas, los electrones siempre saltan de orbitales enlazantes o no enlazantes a orbitales antienlazantes. Así, los orbitales enlazantes y no enlazantes forman el estado fundamental, y los orbitales antienlazantes forman el estado excitado. Al final tenemos cuatro tipos distintos de transiciones electrónicas, que varían en los orbitales moleculares implicados:

• σ → σ*
• n → σ*
• π → π*
• n → π*

Consideremos ahora el orden energético de estas diferentes transiciones electrónicas.

Orden energético de las transiciones electrónicas

Vuelve al diagrama que muestra los niveles de energía relativos de los orbitales moleculares enlazantes, no enlazantes y antienlazantes. Saltar de un nivel de energía a otro requiere energía y, como era de esperar, la energía necesaria es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. En consecuencia, los cuatro tipos diferentes de transiciones electrónicas requieren cantidades distintas de energía.

Diagrama del nivel de energía de transición electrónica

Puedes ver la magnitud de energía asociada a cada tipo de transición electrónica en el siguiente diagrama:

Fig. 3 - Diagrama que muestra la energía asociada a los cuatro tipos de transiciones electrónicas.

Podemos ordenar las transiciones electrónicas en función de su energía asociada:

Fig. 4 - Tabla que muestra el orden energético de las transiciones electrónicas.

Fórmula de las transiciones electrónicas

Así pues, las transiciones σ → σ* requieren más energía que, por ejemplo , las transiciones n → π*. ¿Podemos demostrarlo cuantitativamente? La respuesta es sí, utilizando una fórmula para las transiciones electrónicas.

Recuerda que las transiciones electrónicas se producen cuando los electrones de la capa externa absorben energía de los fotones de la radiación electromagnética. La energía del fotón absorbido es igual a la diferencia de energía entre el estado básico del electrón y su estado excitado. La radiación electromagnética existe en un amplio espectro, y la energía del fot ón está relacionada con su longitud de onda. Por tanto, las distintas transiciones electrónicas absorben radiaciones con longitudes de onda diferentes.

• Cuanto menor es la longitud de onda de la radiación, mayor es su energía.
• Cuanto mayor sea la longitud de onda de la radiación, menor será su energía.
• Por ejemplo, esto significa que las transiciones σ → σ* absorben la radiación con una longitud de onda más corta que, por ejemplo, las transiciones n → π*.

Podemos utilizar la espectroscopia para averiguar la energía de la radiación absorbida por una molécula, átomo o solución para determinar la energía de sus transiciones electrónicas, observando los espectros que produce esta técnica. Los espectros muestran la longitud de onda de las ondas luminosas absorbidas. La longitud de onda y la energía de la radiación electromagnética se relacionan mediante una fórmula sencilla:

$$E=h\frac{c}{\lambda}$$

Aquí

• E es la energía de la radiación, en julios, J.
• h es la constante de Planck, que equivale a 6,63 × ^10-34 J s.
• c es la velocidad de la luz, que es igual a 3,00 ×¹⁰⁸ m ^s-1.
• λ es la longitud de onda del fotón, en metros, m.

Transiciones electrónicas y espectroscopia

Lastransiciones electrón icas son útiles porque nos dan una idea de la estructura de una molécula o, incluso, de la composición y concentración de una mezcla o solución. Como ya se ha dicho, obtenemos datos sobre las transiciones electrónicas mediante espectroscopia.

La espectroscopia produce gráficos conocidos como espectros. Los espectros muestran las longitudes de onda de la luz absorbida por la muestra, que ahora sabemos que están relacionadas con la energía absorbida durante una transición electrónica. Aunque la energía exacta absorbida depende no sólo de los orbitales moleculares implicados en la transición electrónica, sino también de toda la estructura de la molécula y del disolvente en el que esté disuelta, determinadas transiciones electrónicas están siempre asociadas a determinadas bandas de absorción de luz. Por ejemplo, el espectro de una muestra que contiene etano tiene una banda a 135 nm, que representa la transición σ → ^σ*1.

En general, las transiciones electrónicas están asociadas a la radiación ultravioleta o visible. Estos tipos de radiación suelen tener longitudes de onda entre 10-400 nm y 400-700 nm respectivamente (entre 1 × ^10-8 y 7 × ^10-7 metros). Pero los espectros también pueden mostrar bandas en otras regiones del espectro electromagnético. Las bandas muestran que la molécula absorbió radiación electromagnética con longitudes de onda diferentes, asociadas a un cambio en los niveles de rotación molecular o a un cambio en los niveles de vibración molecular. Ambos son tipos de transiciones moleculares.

• Los cambios en los niveles de rotación molecular están asociados a la radiación de microondas. En pocas palabras, esto se refiere a cómo gira una molécula en el acto. La absorción de la radiación de microondas produce bandas a 0,1-10 mm (entre 1 × ^10-4 y 1 × ^10-2 metros).
• Los cambios en los niveles de vibración molecular se asocian a la radiación infrarroja (a veces escrita con un guión: infrarrojo). Esto se refiere a cómo una molécula pulsa hacia delante y hacia atrás en el punto, como un muelle. La absorción de la radiación infrarroja produce bandas en 0,7-100 μm (entre 7 × ^10-7 y 1 × ^10-4 metros).

Fig. 5 - Diagrama que muestra las regiones del espectro electromagnético y las transiciones moleculares o electrónicas a las que están asociadas.