CE ESTE DENSITATEA ELECTRONILOR? - CHIMIE - 2025

Densitatea de electroni este o măsură a cât de probabil este de a găsi electronul într - o anumită regiune a spațiului; fie în jurul unui nucleu atomic, fie în „cartierele” din structurile moleculare.

Cu cât concentrația de electroni este mai mare la un moment dat, cu atât densitatea electronilor este mai mare și, prin urmare, se va distinge de împrejurimile sale și va prezenta anumite caracteristici care explică reactivitatea chimică. Un mod grafic excelent de a reprezenta un astfel de concept este prin harta potențialului electrostatic.

Sursa: Manuel Almagro Rivas prin Wikipedia

De exemplu, imaginea superioară arată structura enantiomerului S-carnitină cu harta potențialului electrostatic corespunzător. Se poate observa o scară compusă din culorile curcubeului: roșu pentru a indica regiunea cu cea mai mare densitate de electroni și albastru pentru acea regiune săracă în electroni.

Deoarece molecula este deplasată de la stânga la dreapta, ne îndepărtăm de -CO ₂ ^{- grupul} spre CH ₂ CHOH-CH ₂ schelet , unde culorile sunt galben și verde, indicând o scădere a densității de electroni; până la grupul -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , regiunea cea mai săracă în electroni, albastru colorat.

În general, regiunile în care densitatea electronilor este scăzută (cele galben și verde colorate) sunt cele mai puțin reactive într-o moleculă.

Concept

Mai mult decât chimice, densitatea electronilor este de natură fizică, deoarece electronii nu rămân statici, ci călătoresc dintr-o parte în alta creând câmpuri electrice.

Și variația acestor câmpuri determină diferențele dintre densitățile electronilor din suprafețele van der Waals (toate acele suprafețe ale sferelor).

Structura S-carnitinei este reprezentată de un model de sfere și bare, dar dacă ar fi de suprafața sa van der Waals, barele ar dispărea și numai un set de sfere (cu aceleași culori) ar fi observat.

Electronii sunt mai predispuși în jurul atomilor mai electronegativi; cu toate acestea, în structura moleculară pot exista mai mulți atomi electronegativi și, prin urmare, grupuri de atomi care își exercită de asemenea propriul efect inductiv.

Aceasta înseamnă că câmpul electric variază mai mult decât se poate prevedea prin observarea unei molecule din privirea unei păsări; adică poate exista o polarizare mai mult sau mai puțin a sarcinilor negative sau a densității electronilor.

Acest lucru poate fi explicat și în felul următor: distribuția taxelor devine mai omogenă.

Harta potențialului electrostatic

De exemplu, deoarece grupul -OH are un atom de oxigen, atrage densitatea electronică a atomilor săi vecini; cu toate acestea, în S-carnitină dă o parte din densitatea de electroni la -CO ₂ ^{- gruparea} , în timp ce în același timp , acesta părăsește -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ grup} cu o deficiență electronică mai mare.

Rețineți că poate fi foarte dificil să deducem cum funcționează efectele inductive asupra unei molecule complexe, cum ar fi o proteină.

Pentru a avea o imagine de ansamblu a acestor diferențe în câmpurile electrice din structură, se utilizează calculul de calcul al hărților potențialului electrostatic.

Aceste calcule constau în plasarea unei încărcări punctuale pozitive și mutarea acesteia de-a lungul suprafeței moleculei; unde există o densitate mai mică de electroni, va exista repulsie electrostatică, iar cu repulsia mai mare, cu atât culoarea albastră va fi mai intensă.

Acolo unde densitatea electronilor este mai mare, va exista o atracție electrostatică puternică, reprezentată de culoarea roșie.

Calculele iau în considerare toate aspectele structurale, momentele dipolice ale legăturilor, efectele inductive cauzate de toți atomii extrem de electronegativi etc. În consecință, obțineți acele suprafețe colorate și atrăgătoare vizual.

Compararea culorilor

Sursa: Wikimedia Commons

Mai sus se găsește harta potențialului electrostatic pentru o moleculă de benzen. Rețineți că în centrul inelului există o densitate mai mare de electroni, în timp ce „vârfurile” sale sunt de culoare albăstruie, din cauza atomilor de hidrogen mai puțin electronegativi. De asemenea, această distribuție a sarcinilor se datorează caracterului aromatic al benzenului.

În această hartă sunt observate și culorile verde și galben, ceea ce indică aproximațiile către regiunile sărace și bogate în electroni.

Aceste culori au propria scară, diferită de cea a S-carnitinei; și, prin urmare, este incorect să se compare grupul -CO ₂ ^- și centrul inelului aromatic, ambele reprezentate de culoarea roșie din hărțile lor.

Dacă amândoi păstrează aceeași scară de culoare, culoarea roșie de pe harta benzenului ar putea vedea o portocalie slabă. În conformitate cu această standardizare, pot fi comparate hărțile potențialului electrostatic și, prin urmare, densitățile electronilor diferitelor molecule.

În caz contrar, harta ar servi doar la cunoașterea distribuțiilor de sarcină pentru o moleculă individuală.

Reactivitate chimică

Prin respectarea unei hărți a potențialului electrostatic și, prin urmare, a regiunilor cu densități mari și mici de electroni, se poate prezice (deși nu în toate cazurile) unde vor avea loc reacții chimice în structura moleculară.

Regiunile cu densitate mare de electroni sunt capabile să „furnizeze” electronilor lor specii înconjurătoare care au nevoie sau au nevoie de ei; Aceste specii încărcate negativ, E ⁺ , sunt cunoscute sub numele de electrofile.

Prin urmare, electrofilele pot reacționa cu grupele reprezentate de culoarea roșie ( ^grupa -CO ₂ ^- și centrul inelului benzenului).

În timp ce regiunile cu densitate mică de electroni, reacționează cu specii încărcate negativ sau cu cele care au perechi de electroni liberi de împărțit; acestea din urmă sunt cunoscute sub numele de nucleofile.

În cazul -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ grup} , va reacționa în așa fel încât electronii câștigurile atom de azot (este redusă).

Densitatea electronilor în atom

În atom, electronii se mișcă cu viteze enorme și pot fi în mai multe regiuni de spațiu în același timp.

Cu toate acestea, pe măsură ce distanța de nucleu crește, electronii dobândesc energie potențială electronică și distribuția lor probabilistică scade.

Aceasta înseamnă că norii electronici ai unui atom nu au o graniță definită, ci una încețoșată. Prin urmare, nu este ușor să calculăm raza atomică; cu excepția cazului în care există vecini care stabilesc o diferență în distanțele nucleelor ​​lor, jumătate dintre ele putând fi luate ca rază atomică (r = d / 2).

Orbitalii atomici și funcțiile lor de undă radială și unghiulară demonstrează modul în care densitatea electronilor se modifică în funcție de distanță față de nucleu.

Referințe

1. Colegiul Reed. (Sf). Ce este densitatea electronilor? ROCO. Recuperat din: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Densitatea electronilor. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (11 iunie 2014). Definiția densității electronilor. Recuperat de la: thinkco.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Glosar ilustrat al chimiei organice: densitatea electronilor. Recuperat din: chem.ucla.edu
5. Chimie LibreTexturi. (29 noiembrie 2018). Mărimi atomice și distribuții ale densității electronilor. Recuperat din: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. Aminele. ( Ediția ^a 10- ^a .) Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.