Що таке електронна щільність?



The електронна щільність це міра того, наскільки ймовірно знайти електрон в даній області простору; або навколо атомного ядра, або в "околицях" в межах молекулярних структур.

Чим вище концентрація електронів в даній точці, тим більша електронна щільність, і, отже, вона буде відрізнятися від навколишнього середовища і мати певні характеристики, які пояснюють хімічну реактивність. Графічний і відмінний спосіб представити таку концепцію - через карта електростатичного потенціалу.

Наприклад, структура енантіомер S-карнітину з відповідною картою електростатичного потенціалу показана на верхньому зображенні. Можна спостерігати масштаб, що складається з кольорів веселки: червоний для позначення області більшої електронної щільності, а блакитний - для області, що бідна електронами.

Оскільки молекула проходить зліва направо, ми віддаляємося від групи -CO2- до скелета CH2-CHOH-CH2, де кольори жовті і зелені, що вказує на зменшення електронної щільності; до групи -N (CH3)3+, найбідніша електронна область, синя.

Як правило, області, де електронна щільність низька (жовтий і зелений кольори), є найменш реактивними в молекулі.

Індекс

  • 1 Концепція
  • 2 Карта електростатичного потенціалу
    • 2.1 Порівняння кольорів
    • 2.2 Хімічна реактивність
  • 3 Електронна щільність в атомі
  • 4 Посилання

Концепція

Більш ніж хімія, електронна щільність має фізичний характер, оскільки електрони не залишаються статичними, а рухаються з однієї сторони на іншу, створюючи електричні поля.

А варіація цих полів породжує відмінності електронних густин на поверхнях ван-дер-ваальса (всі ці поверхні сфер)..

Структура S-карнітину представлена ​​моделлю сфер і брусків, але якщо б вона була для його ван-дер-ваальсовой поверхні, то бруски зникали б і спостерігалися б лише матові набори сфер (з однаковими кольорами)..

Електрони з більшою ймовірністю будуть блукати навколо більш електронегативних атомів; однак у молекулярній структурі може бути більше одного електронегативного атома, а отже, групи атомів, які також проявляють власний індуктивний ефект.

Це означає, що електричне поле змінюється більше, ніж можна передбачити, спостерігаючи за молекулою по прямій; тобто, може бути більш-менш поляризація негативних зарядів або електронна щільність.

Це також можна пояснити таким чином: розподіл зарядів стає більш однорідним.

Карта електростатичного потенціалу

Наприклад, група -OH з атомом кисню притягує електронну щільність сусідніх атомів; однак у S-карнітині він дає частину своєї електронної щільності групі -CO2-, одночасно залишаючи групу -N (CH3)3+ з більшим електронним дефіцитом.

Зауважимо, що може бути дуже складно зробити висновок про те, як індуктивні ефекти працюють в складній молекулі, такій як білок.

Для огляду таких відмінностей в електричних полях у структурі використовується обчислювальний розрахунок карт електростатичних потенціалів.

Ці розрахунки складаються з розміщення позитивного точкового заряду і переміщення його вздовж поверхні молекули; там, де є менше електронна щільність, буде електростатичне відштовхування, і чим вище відштовхування, тим сильніше буде синій колір.

Там, де електронна щільність більша, буде сильне електростатичне притягання, представлене червоним кольором.

Розрахунки враховують всі структурні аспекти, дипольні моменти ланок, індуктивні ефекти, викликані всіма високоелектронегативними атомами тощо. І в результаті ви отримаєте ці барвисті поверхні і візуальну привабливість.

Порівняння кольорів

Вищенаведена карта електростатичного потенціалу для молекули бензолу. Зауважимо, що в центрі кільця є більш висока електронна щільність, а її «точки» мають блакитний колір через меншу кількість електронегативних атомів водню. Також цей розподіл зарядів обумовлений ароматичним характером бензолу.

На цій карті також спостерігаються зелені і жовті кольори, що вказує на наближення до бідних і багатих електронами областях.

Ці кольори мають свої власні масштаби, відмінні від S-карнітину; і тому неправильно порівнювати групу -CO2- і центр ароматичного кільця, обидва представлені червоним кольором на їх картах.

Якби обидва зберегли ту ж саму колірну шкалу, це показувало б, що червоний колір на карті бензолу перетворився з слабкого помаранчевого кольору. Під цією стандартизацією карти електростатичного потенціалу можна порівняти, а отже, і електронні щільності декількох молекул.

Якщо ні, то карта буде лише знати розподіл заряду для окремої молекули.

Хімічна реактивність

Спостерігаючи карту електростатичного потенціалу і, отже, області з високими і низькими електронними густинами, можна передбачити (хоча і не у всіх випадках), де відбуваються хімічні реакції в молекулярній структурі.

Регіони з високою електронною щільністю здатні «забезпечити» свої електрони навколишнім видам, які потребують або потребують їх; до цих видів, негативно заряджених, E+, вони відомі як електрофіли.

Тому електрофіли можуть реагувати з групами, представленими червоним кольором (група -CO).2- і центр бензольного кільця).

Хоча області з низькою електронною щільністю, вони реагують з негативно зарядженими видами, або з тими, які мають вільні від електронів пари для спільного використання; останні відомі як нуклеофіли.

У разі групи -N (CH3)3+, він буде реагувати таким чином, що атом азоту отримує електрони (зменшується).

Електронна щільність в атомі

У атомі електрони рухаються з величезними швидкостями і можуть перебувати в декількох областях простору одночасно.

Однак при збільшенні відстані ядра електрони отримують електронну потенційну енергію, а ймовірнісний розподіл їх зменшується.

Це означає, що електронні хмари атома не мають певної межі, а розмиті. Тому розрахувати атомний радіус нелегко; якщо немає сусідів, які встановлюють різницю в відстанях своїх ядер, половина яких може бути прийнята за атомний радіус (r = d / 2).

Атомні орбіталі та їхні функції радіальних і кутових хвиль демонструють зміну електронної щільності в залежності від відстані, що відокремлює їх від ядра..

Список літератури

  1. Рід коледж. (s.f.). Що таке електронна щільність? ROCO Отримано з: reed.edu
  2. Вікіпедія. (2018). Щільність електронів. Отримано з: en.wikipedia.org
  3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 червня 2014 року). Визначення щільності електронів. Отримано з: thoughtco.com
  4. Стівен А. Хардінгер. (2017). Ілюстрований глосарій органічної хімії: щільність електронів. Отримано з: chem.ucla.edu
  5. Хімія LibreTexts. (29 листопада 2018). Розміри атомних розмірів і розподілу електронної щільності. Отримано з: chem.libretexts.org
  6. Грем Соломонс Т.В., Крейг Б. Фріле. (2011). Органічна хімія. Аміни (10й видання.). Wiley Plus.
  7. Кері Ф. (2008). Органічна хімія (Шосте видання). Mc Graw Hill.