КАКВО Е ЕЛЕКТРОННА ПЛЪТНОСТ? - ХИМИЯ - 2025

На електронната плътност е мярка за колко вероятно е да се намери на електрона в определен регион на пространството; било около атомно ядро, или в "кварталите" в молекулните структури.

Колкото по-висока е концентрацията на електрони в дадена точка, толкова по-висока е електронната плътност и следователно, тя ще бъде разграничена от заобикалящата я среда и ще прояви определени характеристики, които обясняват химическата реактивност. Отличен графичен начин за представяне на такава концепция е чрез електростатичната карта на потенциала.

Източник: Мануел Алмагро Ривас чрез Wikipedia

Например горното изображение показва структурата на S-карнитин енантиомера със съответната карта на електростатичния потенциал. Може да се наблюдава мащаб, съставен от цветовете на дъгата: червен, за да обозначи областта с най-висока плътност на електроните, и син за този регион, който е беден на електрони.

Тъй като молекулата е пресичан от ляво на дясно, ние се движат далеч от СО ₂ ^{- група} към CH ₂ -СНОН-CH ₂ скелета, където цветовете са жълто и зелено, което показва намаление на електронната плътност; до групата -N (CH ₃) ₃ ⁺, най-електрон-лошо региона, оцветени в синьо.

Обикновено регионите, където електронната плътност е ниска (оцветените в жълто и зелено), са най-малко реактивни в молекулата.

понятие

Повече от химическа, електронната плътност има физическа природа, защото електроните не остават статични, а пътуват от една страна на друга, създавайки електрически полета.

И изменението на тези полета причинява разликите в плътностите на електроните в повърхностите на ван дер Ваал (всички онези повърхности на сферите).

Структурата на S-карнитин е представена от модел на сфери и пръти, но ако беше от повърхността му ван дер Ваал, баровете щяха да изчезнат и би се наблюдавал само прилепнал набор от сфери (със същите цветове).

По-вероятно е електроните да са около по-електроотрицателните атоми; обаче може да има повече от един електроотрицателен атом в молекулната структура и следователно групи от атоми, които също упражняват свой собствен индуктивен ефект.

Това означава, че електрическото поле варира повече, отколкото може да се предвиди, като наблюдавате молекула от птичи поглед; тоест, може да има повече или по-малка поляризация на отрицателните заряди или на електронната плътност.

Това може да се обясни и по следния начин: разпределението на таксите става по-хомогенно.

Карта на електростатичния потенциал

Например, тъй като -OH групата има кислороден атом, тя привлича електронната плътност на съседните си атоми; обаче, в S-карнитин дава на част от електронната плътност на СО ₂ ^{- група}, като в същото време тя напуска -N (CH ₃) ₃ ^{+ група} с дефицит по-голяма електрон.

Обърнете внимание, че може да бъде много трудно да се заключи как действат индуктивните ефекти върху сложна молекула, като протеин.

За да имате под ръчен преглед на такива разлики в електрическите полета в структурата, се използва изчислителното изчисление на електростатичните карти на потенциала.

Тези изчисления се състоят в поставяне на положителен заряд в точка и придвижването му по повърхността на молекулата; където има по-малка плътност на електрон, ще има електростатично отблъскване, а при по-голямо отблъскване, толкова по-интензивен ще бъде синият цвят.

Там, където електронната плътност е по-висока, ще има силно електростатично привличане, представено от червения цвят.

Изчисленията отчитат всички структурни аспекти, диполните моменти на връзките, индуктивните ефекти, причинени от всички силно електронегативни атоми и т.н. И в резултат получавате тези цветни и визуално привлекателни повърхности.

Сравнение на цветовете

Източник: Wikimedia Commons

По-горе е електростатичната карта на потенциала за молекула бензен. Обърнете внимание, че в центъра на пръстена има по-висока плътност на електроните, докато неговите „връхчета“ имат синкав цвят, поради по-малко електроотрицателните водородни атоми. По същия начин това разпределение на зарядите се дължи на ароматния характер на бензола.

На тази карта се наблюдават и цветовете зелено и жълто, което показва приближенията към регионите, бедни и богати на електрони.

Тези цветове имат своя мащаб, различен от този на S-карнитин; и поради това, че е неправилно да се сравни групата СО ₂ ^- и в центъра на ароматния пръстен, и двете представлявана от червения цвят в техните карти.

Ако и двамата запазиха една и съща цветова скала, червеният цвят на картата на бензола щеше да се види, за да стане светлооранжев. При тази стандартизация могат да се сравняват електростатичните карти на потенциала и следователно електронните плътности на различни молекули.

В противен случай картата би служила само за познаване на разпределението на заряда за отделна молекула.

Химична реактивност

Наблюдавайки карта на електростатичния потенциал и следователно региони с висока и ниска плътност на електроните, може да се предвиди (макар и не във всички случаи), където ще се появят химични реакции в молекулната структура.

Регионите с висока електронна плътност са в състояние да „предоставят“ своите електрони на околните видове в нужда или се нуждаят от тях; Тези отрицателно заредени видове, E ⁺, са известни като електрофили.

Следователно, електрофили могат да реагират с групите представени чрез червения цвят (на СО ₂ ^{- групата} и центъра на бензеновия пръстен).

Докато регионите с ниска електронна плътност реагират с отрицателно заредени видове или с тези, които имат свободни двойки електрони за споделяне; последните са известни като нуклеофили.

В случай на -N (CH ₃) ₃ ^{+ група}, тя ще реагира по такъв начин, че електроните азотния атом печалби (намалява).

Електронна плътност в атома

В атома електроните се движат с огромни скорости и могат да бъдат в няколко области на пространството едновременно.

С увеличаването на разстоянието от ядрото, електроните придобиват електронна потенциална енергия и вероятностното им разпределение намалява.

Това означава, че електронните облаци на един атом нямат определена граница, а замъглена. Следователно, не е лесно да се изчисли атомният радиус; освен ако няма съседи, които установяват разлика в разстоянията на техните ядра, като половината от тях може да се приеме като атомния радиус (r = d / 2).

Атомните орбитали и техните радиални и ъглови вълнови функции демонстрират как електронната плътност се променя като функция на разстояние от ядрото.

Препратки

1. Рийд колеж. (SF). Какво е електронна плътност? ROCO. Възстановена от: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Електронна плътност. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (11 юни 2014 г.). Определение за плътност на електроните. Възстановено от: thinkco.com
4. Стивън А. Хардингер. (2017). Илюстриран речник на органичната химия: електронна плътност. Възстановена от: chem.ucla.edu
5. Химия LibreTexts. (29 ноември 2018 г.). Атомни размери и разпределения на електронна плътност. Възстановено от: chem.libretexts.org
6. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10 ^-то издание.) Wiley Plus.
7. Кери Ф. (2008). Органична химия. (Шесто издание). Mc Graw Hill.