Multiplicitat d'espin

En espectroscopía i química quàntica, es denomina multiplicitat d'espin d'un determinat nivell d'energia al valor definit com a 2S+1, a on S és el moment angular d'espin total. En térmens simples, la major part de les voltes, la multiplicitat d'espin és igual a la cantitat d'electrons desapareados d'un àtom o molècula, més un.

Els estats en multiplicitat 1, 2, 3, 4, 5 es denominen respectivament estats singletes, estats doblets, estats triplets, cuartetes i quintetes.

Àtoms

A sovint la multiplicitat és igual al número de possibles orientacions d'espin total relatives al moviment angular orbital total: L, i per lo tant al número de nivells cuasi-degenerados que es diferencien només en les seues energies d'interacció espin-òrbita.

Per eixemple, l'estat basal de l'un àtom de carbono és un estat 3
P. El superíndex tres (llegit com triplet indica que la multiplicitat 2S+1 = 3, per lo que l'espin total S = 1. Este espin és per dos electrons desapareados, com a resultat de la regla de màxima multiplicitat de Hund la qual favorix l'omplit de orbitales degenerados en electrons desapareados. El triplet consistix en tres estats en components d'espin +1, 0 i –1 a lo llarc de la direcció del moment angular orbital total, el qual també és 1 com ho indica la lletra P. El número quàntic de moment angular total J pot variar des de L+S = 2 fins a L–S = 0 en passos sancers, per lo que J = 2, 1 o 0.

No obstant l'equivalència de multiplicitat i número d'orientacions d'espin és verdadera solament quan S ≤ L. Quan S > L solament hi ha 2L+1 orientacions possibles de moment angular total, anant des de S+L a S-L. L'estat basal de l'àtom de nitrogen és un estat 4
S, per al qual 2S + 1 = 4 en un estat cuartete, S = 3/2 per tres electrons desapareados. Per a un estat S, L = 0 per lo que J solament pot ser 3/2 i per lo tant solament hi ha un únic nivell inclús quan la multiplicitat és 4.

Molècules

Les molècules orgàniques més estables posseïxen un apany d'electrons en una coberta electrònica completa sense electrons desapareados, i per lo tant posseïxen estats basals de tipo singlete. Açò també és una veritat quan es tracta de composts inorgànics que contenen elements de la série principal. Algunes importants excepcions són el dioxígeno (O
2) i els composts de tipo metileno (CH
2) i uns atres carbenos.

No obstant, els estats basals d'alt espin són molt comuns en els complexos de coordinació dels metals de transició. Una explicació simple del perqué d'estos estats d'alt espin la dona la teoria del camp cristalí.

Dioxígeno

El orbital ocupat de major energia en l'oxigen és un parell degenerado de orbitaltes π*. En l'estat basal del dioxígeno, este nivell energètic es troba ocupat per dos electrons del mateix espin, com es mostra en el diagrama de orbitales moleculars. Esta molècula per lo tant posseïx dos electrons desapareados i es troba en un estat triplet.

En contrast el primer estat excitat del dioxígeno posseïx dos electrons de espin oposts en el nivell π* per lo que no posseïx electrons desapareados. En conseqüència es tracta d'un estat singlete i li'l coneix com oxigen singlete.

Carbenos

En química orgànica, els carbenos són molècules que posseïxen àtoms de carbono en solament sis electrons de valència, i per lo tant desobedixen la regla de l'octet. Els carbenos per lo general es dividixen en carbenos en estat singlete i carbenos en estat triplet, cridats aixina en base en les seues multiplicitat d'espin. Abdós tipos posseïxen dos electrons no enlazantes, en els carbenos singlete existixen com un parell solitari en espin oposts per lo tant no presenten un espin total diferent de zero, mentres que en els carbenos triplet estos electrons posseïxen espin paralels.

Bibliografia

• Atkins' Physical Chemistry, 8th edició, United States: Oxford University Press. ISBN 0-7167-8759-8.
• (2001) Organic Chemistry, United States: Oxford University Press. ISBN 0-19-850346-6.
• Quàntum Chemistry, 4th edició, United States: Prentice-Hall. ISBN 0-205-12770-3.