Czym jest gęstość elektroniczna?

The gęstość elektroniczna jest miarą prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w danym obszarze przestrzeni; albo wokół jądra atomowego, albo w „sąsiedztwie” w strukturach molekularnych.

Im wyższe stężenie elektronów w danym punkcie, tym większa gęstość elektronów, a zatem będzie odróżniana od otoczenia i będzie wykazywać pewne cechy wyjaśniające reaktywność chemiczną. Graficzny i doskonały sposób na przedstawienie takiej koncepcji jest możliwy dzięki mapa potencjału elektrostatycznego.

Na przykład, struktura enancjomeru S-karnityny z odpowiednią mapą potencjału elektrostatycznego jest pokazana na górnym obrazie. Można zaobserwować skalę składającą się z kolorów tęczy: czerwony wskazujący region o większej gęstości elektronowej i niebieski dla tego regionu ubogiego w elektrony.

Gdy cząsteczka przechodzi od lewej do prawej, oddalamy się od grupy -CO₂^- w kierunku szkieletu CH₂-CHOH-CH₂, gdzie kolory są żółte i zielone, co wskazuje na spadek gęstości elektronicznej; do grupy -N (CH₃)₃⁺, najbiedniejszy region elektronów, niebieski.

Ogólnie regiony, w których gęstość elektroniczna jest niska (kolory żółte i zielone) są najmniej reaktywne w cząsteczce.

Indeks

• 1 koncepcja
• 2 Mapa potencjału elektrostatycznego
  • 2.1 Porównanie kolorów
  • 2.2 Reaktywność chemiczna
• 3 Gęstość elektronowa w atomie
• 4 odniesienia

Koncepcja

Bardziej niż chemia, gęstość elektronowa ma naturę fizyczną, ponieważ elektrony nie pozostają statyczne, ale przemieszczają się z jednej strony na drugą, tworząc pola elektryczne.

A zmienność tych pól powoduje różnice w gęstościach elektronicznych na powierzchniach van der Waalsa (wszystkie te powierzchnie sfer).

Struktura S-karnityny jest reprezentowana przez model kulek i prętów, ale gdyby była to dla jego powierzchni van der Waalsa, pręty znikałyby i obserwowano by jedynie matowy zestaw sfer (o tych samych kolorach).

Bardziej prawdopodobne jest, że elektrony będą krążyć wokół bardziej elektroujemnych atomów; jednakże w strukturze molekularnej może istnieć więcej niż jeden atom ujemny, a zatem grupy atomów, które również wywierają swój własny efekt indukcyjny.

Oznacza to, że pole elektryczne zmienia się bardziej niż można przewidzieć obserwując cząsteczkę w linii prostej; to znaczy, może istnieć bardziej lub mniej polaryzacja ładunków ujemnych lub gęstości elektronicznej.

Można to również wyjaśnić w następujący sposób: rozkład ładunków staje się bardziej jednorodny.

Mapa potencjału elektrostatycznego

Na przykład grupa -OH mająca atom tlenu przyciąga gęstość elektronów sąsiadujących atomów; jednak w S-karnitynie daje część swojej gęstości elektronicznej grupie -CO₂^-, jednocześnie opuszczając grupę -N (CH₃)₃⁺ z większym brakiem elektroniki.

Należy zauważyć, że wnioskowanie o działaniu efektów indukcyjnych w złożonej cząsteczce, takiej jak białko, może być bardzo skomplikowane.

Aby uzyskać przegląd takich różnic w polach elektrycznych w strukturze, wykorzystuje się obliczeniowe obliczanie map potencjałów elektrostatycznych.

Obliczenia te polegają na umieszczeniu ładunku punktu dodatniego i przesunięciu go po powierzchni cząsteczki; tam, gdzie jest mniejsza gęstość elektronowa, nastąpi odpychanie elektrostatyczne, a im wyższe odpychanie, tym intensywniejszy będzie niebieski kolor.

Tam, gdzie gęstość elektroniczna jest większa, będzie silne przyciąganie elektrostatyczne, reprezentowane przez czerwony kolor.

Obliczenia uwzględniają wszystkie aspekty strukturalne, momenty dipolowe ogniw, efekty indukcyjne wywołane przez wszystkie wysoce elektroujemne atomy itp. W rezultacie otrzymujesz kolorowe powierzchnie i atrakcyjność wizualną.

Porównanie kolorów

Powyżej znajduje się mapa potencjału elektrostatycznego cząsteczki benzenu. Zauważ, że w środku pierścienia znajduje się wyższa gęstość elektronów, podczas gdy jego „punkty” mają niebieskawy kolor, z powodu mniej elektroujemnych atomów wodoru. Również ten rozkład ładunków wynika z aromatycznego charakteru benzenu.

Na tej mapie obserwowane są również kolory zielony i żółty, wskazujące przybliżenia do regionów ubogich i bogatych w elektrony.

Kolory te mają własną skalę, różną od skali S-karnityny; i dlatego niewłaściwe jest porównywanie grupy -CO₂^- i środek pierścienia aromatycznego, oba reprezentowane przez czerwony kolor na ich mapach.

Gdyby oba zachowały tę samą skalę kolorów, pokazałoby to, że czerwony kolor na mapie benzenu zmienił się z słabo pomarańczowego. W ramach tej standaryzacji można porównywać mapy potencjału elektrostatycznego, a zatem gęstości elektroniczne kilku cząsteczek.

Jeśli nie, mapa służyłaby jedynie do poznania rozkładów ładunku dla pojedynczej cząsteczki.

Reaktywność chemiczna

Obserwując mapę potencjału elektrostatycznego, a zatem regionów o wysokich i niskich gęstościach elektronicznych, można przewidzieć (choć nie we wszystkich przypadkach), w których reakcje chemiczne będą zachodzić w strukturze molekularnej.

Regiony o wysokiej gęstości elektronowej są w stanie „dostarczyć” swoje elektrony otaczającym gatunkom, które ich potrzebują lub potrzebują; tym gatunkom, ujemnie naładowany, E⁺, znane są jako elektrofile.

Dlatego elektrofile mogą reagować z grupami reprezentowanymi przez kolor czerwony (grupa -CO)₂^- i środek pierścienia benzenowego).

Podczas gdy regiony o niskiej gęstości elektronowej reagują z gatunkami naładowanymi ujemnie lub z tymi, które mają wolne od elektronów pary do współdzielenia; te ostatnie są znane jako nukleofile.

W przypadku grupy -N (CH₃)₃⁺, zareaguje w taki sposób, że atom azotu uzyska elektrony (zostanie zredukowany).

Gęstość elektronowa w atomie

W atomie elektrony poruszają się z ogromnymi prędkościami i mogą znajdować się w kilku obszarach przestrzeni w tym samym czasie.

Jednak wraz ze wzrostem odległości jądra elektrony pozyskują elektronową energię potencjalną, a ich rozkład probabilistyczny maleje.

Oznacza to, że elektroniczne chmury atomu nie mają określonej granicy, ale są zamazane. Dlatego nie jest łatwo obliczyć promień atomowy; chyba że istnieją sąsiedzi, którzy ustalają różnicę odległości ich jąder, których połowę można przyjąć za promień atomowy (r = d / 2).

Orbitale atomowe i ich funkcje fal radialnych i kątowych pokazują, jak gęstość elektronowa jest modyfikowana w zależności od odległości, która dzieli je od jądra.

Referencje

1. Reed College. (s.f.). Czym jest gęstość elektronów? ROCO Źródło: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Gęstość elektronów. Źródło: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 czerwca 2014 r.). Definicja gęstości elektronowej. Źródło: thinkco.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Ilustrowany słownik chemii organicznej: gęstość elektronów. Źródło: chem.ucla.edu
5. Chemia LibreTexts. (29 listopada 2018). Rozmiary atomowe i rozkłady gęstości elektronowej. Źródło: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy (10^th wydanie.). Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Chemia organiczna (Szósta edycja). Mc Graw Hill.