Τι είναι η ηλεκτρονική πυκνότητα;



Το ηλεκτρονική πυκνότητα είναι ένα μέτρο του πόσο πιθανό είναι να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε μια δεδομένη περιοχή του χώρου. είτε γύρω από έναν ατομικό πυρήνα είτε στις "γειτονιές" εντός των μοριακών δομών.

Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων σε ένα δεδομένο σημείο, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ηλεκτρονίων και επομένως θα διακρίνεται από το περιβάλλον και θα παρουσιάζει ορισμένα χαρακτηριστικά που εξηγούν τη χημική αντιδραστικότητα. Ένας γραφικός και άριστος τρόπος να αναπαρασταθεί μια τέτοια έννοια είναι μέσω του ηλεκτροστατικό δυναμικό χάρτη.

Για παράδειγμα, η δομή του εναντιομερούς S-καρνιτίνης με τον αντίστοιχο χάρτη ηλεκτροστατικού δυναμικού φαίνεται στην άνω εικόνα. Μια κλίμακα που αποτελείται από τα χρώματα του ουράνιου τόξου μπορεί να παρατηρηθεί: κόκκινη για να δείξει την περιοχή μεγαλύτερης ηλεκτρονικής πυκνότητας, και μπλε για εκείνη την περιοχή φτωχή σε ηλεκτρόνια.

Καθώς το μόριο μετακινείται από αριστερά προς τα δεξιά, απομακρύνουμε από την ομάδα -CO2- προς τον σκελετό CH2-CHOH-CH2, όπου τα χρώματα είναι κίτρινα και πράσινα, γεγονός που υποδηλώνει μείωση της ηλεκτρονικής πυκνότητας. προς την ομάδα -Ν (CH3)3+, η φτωχότερη περιοχή ηλεκτρονίων, μπλε.

Γενικά, οι περιοχές όπου η ηλεκτρονική πυκνότητα είναι χαμηλή (το κίτρινο και το πράσινο χρώμα) είναι οι λιγότερο δραστικές σε ένα μόριο.

Ευρετήριο

  • 1 Έννοια
  • 2 Χάρτης ηλεκτροστατικού δυναμικού
    • 2.1 Σύγκριση των χρωμάτων
    • 2.2 Χημική αντιδραστικότητα
  • 3 Ηλεκτρονική πυκνότητα στο άτομο
  • 4 Αναφορές

Έννοια

Περισσότερο από χημεία, η ηλεκτρονική πυκνότητα είναι φυσική, επειδή τα ηλεκτρόνια δεν παραμένουν στατικά, αλλά ταξιδεύουν από τη μια πλευρά στην άλλη δημιουργώντας ηλεκτρικά πεδία.

Και η παραλλαγή αυτών των πεδίων προκαλεί τις διαφορές στις ηλεκτρονικές πυκνότητες στις επιφάνειες του van der Waals (όλες αυτές οι επιφάνειες των σφαιρών).

Η δομή της S-καρνιτίνης αντιπροσωπεύεται από ένα μοντέλο των σφαιρών και των ράβδων, αλλά εάν ήταν από νβη der Waals επιφάνειά τους, εξαφανίζονται μπαρ και παρατηρούν μόνο ένα σετ caked σφαίρες (με τα ίδια χρώματα).

Τα ηλεκτρόνια θα είναι πιο πιθανό να περιπλανηθούν γύρω από τα πιο ηλεκτροαρνητικά άτομα. Ωστόσο, μπορεί να υπάρχουν περισσότερα από ένα ηλεκτροαρνητικά άτομα στη μοριακή δομή και επομένως ομάδες ατόμων που ασκούν επίσης το δικό τους επαγωγικό αποτέλεσμα.

Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρικό πεδίο ποικίλει περισσότερο από ότι μπορεί να προβλεφθεί παρατηρώντας ένα μόριο, δηλαδή, μπορεί να υπάρχει περισσότερη ή μικρότερη πόλωση των αρνητικών φορτίων ή της ηλεκτρονικής πυκνότητας.

Αυτό μπορεί επίσης να εξηγηθεί ως εξής: η κατανομή των χρεώσεων γίνεται πιο ομοιογενής.

Χάρτης ηλεκτροστατικού δυναμικού

Για παράδειγμα, η ομάδα -ΟΗ για να έχει άτομο οξυγόνου προσελκύει την πυκνότητα ηλεκτρονίων των γειτονικών ατόμων. Ωστόσο, στην S-καρνιτίνη δίνει μέρος της ηλεκτρονικής πυκνότητάς της στην ομάδα -CO2-, ενώ ταυτόχρονα αφήνεται η ομάδα -N (CH3)3+ με μεγαλύτερη ηλεκτρονική ανεπάρκεια.

Σημειώστε ότι μπορεί να είναι πολύ περίπλοκο να υποθέσουμε πώς λειτουργούν τα επαγωγικά αποτελέσματα σε ένα πολύπλοκο μόριο, όπως μια πρωτεΐνη.

Προκειμένου να έχουμε μια γενική εικόνα αυτών των διαφορών στα ηλεκτρικά πεδία της δομής, χρησιμοποιείται υπολογιστικός υπολογισμός χαρτών ηλεκτροστατικού δυναμικού.

Αυτοί οι υπολογισμοί συνίστανται στην τοποθέτηση ενός φορτίου θετικού σημείου και στην κίνηση του κατά μήκος της επιφάνειας του μορίου. όπου υπάρχει λιγότερη ηλεκτρονική πυκνότητα, θα υπάρξει ηλεκτροστατική απώθηση και όσο υψηλότερη είναι η απόρριψη, τόσο πιο έντονο θα είναι το μπλε χρώμα.

Όπου η ηλεκτρονική πυκνότητα είναι μεγαλύτερη, θα υπάρξει μια ισχυρή ηλεκτροστατική έλξη, που αντιπροσωπεύεται από το κόκκινο χρώμα.

Οι υπολογισμοί λαμβάνουν υπόψη όλες τις δομικές πτυχές, τις διπολικές στιγμές των ζεύξεων, τις επαγωγικές επιδράσεις που προκαλούνται από όλα τα άτομα με υψηλή ηλεκτρόνια, κ.λπ. Και ως αποτέλεσμα, παίρνετε αυτές τις πολύχρωμες επιφάνειες και την οπτική έκκληση.

Σύγκριση των χρωμάτων

Πάνω είναι ο χάρτης ηλεκτροστατικού δυναμικού για ένα μόριο βενζολίου. Σημειώστε ότι στο κέντρο του δακτυλίου υπάρχει μεγαλύτερη πυκνότητα ηλεκτρονίων, ενώ τα "σημεία" του είναι μπλε χρώματος, εξαιτίας των λιγότερων ηλεκτροαρνητικών ατόμων υδρογόνου. Επίσης, αυτή η κατανομή επιβαρύνσεων οφείλεται στον αρωματικό χαρακτήρα του βενζολίου.

Στον χάρτη αυτό παρατηρούνται επίσης τα πράσινα και κίτρινα χρώματα, υποδεικνύοντας τις προσεγγίσεις προς τις φτωχές και πλούσιες σε ηλεκτρόνια περιοχές.

Αυτά τα χρώματα έχουν τη δική τους κλίμακα, διαφορετική από αυτή της S-καρνιτίνης. και επομένως, είναι λάθος να συγκρίνουμε την ομάδα -CO2- και το κέντρο του αρωματικού δακτυλίου, και οι δύο αντιπροσωπεύονται από το κόκκινο χρώμα στους χάρτες τους.

Εάν και οι δύο διατηρήσουν την ίδια κλίμακα χρώματος, θα έδειχνε ότι το κόκκινο χρώμα στο χάρτη του βενζολίου μετατράπηκε από ένα λιτός πορτοκαλί. Σύμφωνα με αυτή την τυποποίηση, οι χάρτες ηλεκτροστατικού δυναμικού μπορούν να συγκριθούν και επομένως οι ηλεκτρονικές πυκνότητες πολλών μορίων.

Εάν όχι, ο χάρτης θα εξυπηρετούσε μόνο να γνωρίζει τις κατανομές φορτίου για ένα μεμονωμένο μόριο.

Χημική αντιδραστικότητα

Παρατηρώντας ένα ηλεκτροστατικό δυναμικό χάρτη, και έτσι στις περιοχές με υψηλή και χαμηλή πυκνότητες ηλεκτρονίων, μπορεί να προβλεφθεί (αλλά όχι σε όλες τις περιπτώσεις) συμβαίνουν όπου χημικές αντιδράσεις στη μοριακή δομή.

Οι περιοχές με υψηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων είναι σε θέση να "παρέχουν" τα ηλεκτρόνια τους σε περιβάλλοντα είδη που το απαιτούν ή τα χρειάζονται. σε αυτά τα είδη, αρνητικά φορτισμένα, Ε+, είναι γνωστά ως ηλεκτρόφιλα.

Επομένως, τα ηλεκτρόφιλα μπορούν να αντιδράσουν με τις ομάδες που αντιπροσωπεύονται από το κόκκινο χρώμα (ομάδα -ΟΟ)2- και το κέντρο του βενζολικού δακτυλίου).

Ενώ οι περιοχές με χαμηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων αντιδρούν με αρνητικά φορτισμένα είδη ή με εκείνα που έχουν ζεύγη χωρίς ηλεκτρόνια, τα τελευταία είναι γνωστά ως πυρηνόφιλα.

Στην περίπτωση της ομάδας -N (CH3)3+, θα αντιδράσει με τέτοιο τρόπο ώστε το άτομο αζώτου να αποκτά ηλεκτρόνια (να μειώνεται).

Ηλεκτρονική πυκνότητα στο άτομο

Στο άτομο τα ηλεκτρόνια κινούνται με τεράστιες ταχύτητες και μπορούν να βρίσκονται σε διάφορες περιοχές του χώρου την ίδια στιγμή.

Ωστόσο, καθώς η απόσταση του πυρήνα αυξάνεται, τα ηλεκτρόνια αποκτούν ηλεκτρονική δυνητική ενέργεια και η πιθανότητα κατανομής τους μειώνεται.

Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρονικά σύννεφα ενός ατόμου δεν έχουν καθορισμένο όριο, αλλά θολά. Επομένως, δεν είναι εύκολο να υπολογίσετε την ατομική ακτίνα. εκτός αν υπάρχουν γείτονες που καθορίζουν μια διαφορά στις αποστάσεις των πυρήνων τους, των οποίων το ήμισυ μπορεί να ληφθεί ως ατομική ακτίνα (r = d / 2).

Οι ατομικές τροχιές και οι λειτουργίες τους με ακτινικά και γωνιακά κύματα καταδεικνύουν πως τροποποιείται η ηλεκτρονική πυκνότητα ανάλογα με την απόσταση που τους χωρίζει από τον πυρήνα.

Αναφορές

  1. Reed College. (s.f.). Τι είναι η πυκνότητα ηλεκτρονίων; ROCO Ανακτήθηκε από: reed.edu
  2. Wikipedia. (2018). Ηλεκτρονική πυκνότητα. Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org
  3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 Ιουνίου 2014). Ορισμός ηλεκτρονικής πυκνότητας. Ανακτήθηκε από: thoughtco.com
  4. Steven A. Hardinger. (2017). Εικονογραφημένο Γλωσσάριο Οργανικής Χημείας: Πυκνότητα ηλεκτρονίων. Ανακτήθηκε από: chem.ucla.edu
  5. Χημεία LibreTexts. (29 Νοεμβρίου 2018). Ατομικά μεγέθη και διανομές ηλεκτρονικής πυκνότητας. Ανακτήθηκε από: chem.libretexts.org
  6. Graham Solomons T.W., Craig Β. Fryhle. (2011). Οργανική Χημεία. Αμίνες (10th έκδοση.). Wiley Plus.
  7. Carey F. (2008). Οργανική Χημεία (Έκτη έκδοση). Mc Graw Hill.