Čo je to elektronická hustota?



elektronickou hustotou je to miera pravdepodobnosti nájdenia elektrónu v danej oblasti priestoru; buď okolo atómového jadra, alebo v "susedstve" v molekulárnych štruktúrach.

Čím vyššia je koncentrácia elektrónov v danom bode, tým väčšia je hustota elektrónov, a preto sa bude odlišovať od okolia a vykazovať určité vlastnosti, ktoré vysvetľujú chemickú reaktivitu. Grafický a vynikajúci spôsob, ako reprezentovať takýto koncept, je prostredníctvom mapa elektrostatického potenciálu.

Napríklad štruktúra horného enantioméru S-karnitínu so zodpovedajúcou mapou elektrostatického potenciálu. Je možné pozorovať stupnicu zloženú z farieb dúhy: červenú na označenie oblasti s väčšou elektronickou hustotou a modrú na túto oblasť chudobnú na elektróny.

Keď molekula prechádza zľava doprava, odkloníme sa od skupiny -CO2- smerom ku kostre CH2-CHOH-CH2, tam, kde sú farby žlté a zelené, čo poukazuje na pokles elektronickej hustoty; do skupiny -N (CH3)3+, najchudobnejšia oblasť elektrónov, modrá.

Vo všeobecnosti sú oblasti, kde je elektronická hustota nízka (žlté a zelené farby), najmenej reaktívne v molekule.

index

  • 1 Koncepcia
  • 2 Mapa elektrostatického potenciálu
    • 2.1 Porovnanie farieb
    • 2.2 Chemická reaktivita
  • 3 Elektronická hustota v atóme
  • 4 Odkazy

pojem

Viac ako chémia je elektronická hustota fyzickou povahou, pretože elektróny nezostávajú statické, ale cestujú z jednej strany do druhej a vytvárajú elektrické polia..

A variácia týchto polí vytvára rozdiely v elektronických hustotách v povrchoch van der Waals (všetky povrchy sfér).

Štruktúra S-karnitínu je reprezentovaná modelom guľôčok a tyčí, ale ak by boli pre jeho van der Waalsovu plochu, tyčinky by zmizli a pozoroval by sa iba matný súbor sfér (s rovnakými farbami)..

Elektróny budú s väčšou pravdepodobnosťou prekonávať viac elektronegatívnych atómov; v molekulárnej štruktúre však môže byť viac ako jeden elektronegatívny atóm, a preto skupiny atómov, ktoré majú tiež svoj vlastný indukčný účinok.

To znamená, že elektrické pole sa mení viac, ako sa dá predvídať pozorovaním molekuly vzdušnou čiarou; to znamená, že môže existovať viac alebo menej polarizácie záporných nábojov alebo elektronickej hustoty.

To možno vysvetliť aj nasledovne: distribúcia poplatkov sa stáva homogénnejšou.

Mapa elektrostatického potenciálu

Napríklad skupina -OH pre atóm kyslíka priťahuje elektrónovú hustotu susedných atómov; avšak v S-karnitíne poskytuje časť svojej elektronickej hustoty skupine -CO2-, pričom sa súčasne ponecháva skupina -N (CH3)3+ s väčším elektronickým nedostatkom.

Všimnite si, že môže byť veľmi zložité vyvodiť, ako pôsobia indukčné účinky v komplexnej molekule, ako je proteín.

Na získanie prehľadu o takých rozdieloch v elektrických poliach v štruktúre sa používa výpočtový výpočet máp elektrostatického potenciálu..

Tieto výpočty pozostávajú z umiestnenia kladného náboja a jeho pohybu pozdĺž povrchu molekuly; tam, kde je menšia elektronická hustota, dôjde k elektrostatickému odpudzovaniu a čím vyššia je odpudivosť, tým intenzívnejšia bude modrá farba.

Tam, kde je elektronická hustota väčšia, bude silná elektrostatická príťažlivosť, reprezentovaná červenou farbou.

Výpočty zohľadňujú všetky štrukturálne aspekty, dipólové momenty väzieb, indukčné účinky spôsobené všetkými vysoko elektronegatívnymi atómami atď. Výsledkom je, že získate tie farebné povrchy a vizuálnu príťažlivosť.

Porovnanie farieb

Hore je mapa elektrostatického potenciálu pre molekulu benzénu. Všimnite si, že v strede kruhu je vyššia elektrónová hustota, zatiaľ čo jeho „body“ majú modrastú farbu, pretože majú menej elektronegatívnych vodíkových atómov. Toto rozdelenie nábojov je tiež spôsobené aromatickým charakterom benzénu.

Na tejto mape sa tiež pozorujú zelené a žlté farby, ktoré naznačujú priblíženie k chudobným regiónom a regiónom bohatým na elektróny.

Tieto farby majú vlastnú stupnicu, odlišnú od farby S-karnitínu; a preto je nesprávne porovnávať skupinu -CO2- a stred aromatického kruhu, oba znázornené červenou farbou na mapách.

Ak by obidve hodnoty mali rovnakú farebnú stupnicu, ukázalo by sa, že červená farba na benzénovej mape sa zmenila zo slabej oranžovej farby. V rámci tejto štandardizácie je možné porovnávať mapy elektrostatického potenciálu, a teda elektronické hustoty niekoľkých molekúl.

Ak nie, mapa by slúžila len na poznanie distribúcie náboja pre jednotlivú molekulu.

Chemická reaktivita

Pozorovanie mapy elektrostatického potenciálu, a teda regiónov s vysokými a nízkymi elektronickými hustotami, sa dá predpovedať (aj keď nie vo všetkých prípadoch), kde sa v molekulárnej štruktúre vyskytnú chemické reakcie..

Regióny s vysokou hustotou elektrónov sú schopné „poskytovať“ svoje elektróny okolitým druhom, ktoré ich potrebujú alebo potrebujú; na tieto druhy, záporne nabité, E+, sú známe ako elektrofily.

Elektrofily preto môžu reagovať so skupinami reprezentovanými červenou farbou (skupina -CO)2- a stred benzénového kruhu).

Zatiaľ čo regióny s nízkou hustotou elektrónov reagujú so záporne nabitými druhmi alebo s tými, ktoré majú páry bez elektrónov; tieto sú známe ako nukleofily.

V prípade skupiny -N (CH3)3+, bude reagovať tak, že atóm dusíka získa elektróny (zníži sa).

Elektronická hustota v atóme

V atóme sa elektróny pohybujú enormnými rýchlosťami a môžu byť súčasne v niekoľkých oblastiach priestoru.

Ako sa však zväčšuje vzdialenosť jadra, elektróny získavajú elektronickú potenciálovú energiu a pravdepodobnostné rozloženie elektrónov sa znižuje.

To znamená, že elektronické mraky atómu nemajú definovanú hranicu, ale sú rozmazané. Preto nie je ľahké vypočítať atómový polomer; pokiaľ nie sú susedia, ktorí určujú rozdiel vo vzdialenostiach ich jadier, ktorých polovicu možno považovať za atómový polomer (r = d / 2).

Atómové orbitály a ich funkcie radiálnych a uhlových vĺn ukazujú, ako je elektronická hustota modifikovaná v závislosti od vzdialenosti, ktorá ich oddeľuje od jadra.

referencie

  1. Reed College. (N. D.). Čo je hustota elektrónov? ROCO. Zdroj: reed.edu
  2. Wikipedia. (2018). Elektrónová hustota. Zdroj: en.wikipedia.org
  3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11. jún 2014). Definícia hustoty elektrónov. Zdroj: thinkco.com
  4. Steven A. Hardinger. (2017). Ilustrovaný glosár organickej chémie: hustota elektrónov. Zdroj: chem.ucla.edu
  5. Chémia LibreTexts. (29. novembra 2018). Atómové veľkosti a distribúcie elektrónovej hustoty. Zdroj: chem.libretexts.org
  6. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10th vydania.). Wiley Plus.
  7. Carey F. (2008). Organická chémia (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.