KAJ JE GOSTOTA ELEKTRONOV? - KEMIJA - 2025

Gostota elektronov je merilo, kako verjetno je najti elektron v določenem območju prostora; bodisi okoli atomskega jedra, bodisi v "soseskah" znotraj molekularnih struktur.

Večja kot je koncentracija elektronov v določeni točki, večja je gostota elektronov, zato se bo razlikoval od okolice in bo pokazal določene značilnosti, ki pojasnjujejo kemijsko reaktivnost. Odličen grafični način predstavitve takšnega koncepta je skozi elektrostatični zemljevid potencialov.

Vir: Manuel Almagro Rivas prek Wikipedije

Zgornja slika na primer prikazuje strukturo enantiomera S-karnitina z ustreznim zemljevidom elektrostatičnega potenciala. Opazimo lestvico, sestavljeno iz barv mavrice: rdeča, ki označuje območje z najvišjo gostoto elektronov, modra pa za tisto območje, ki je z elektroni slabo.

Ker je molekula vodi od leve proti desni, se oddaljujemo od -CO ₂ ^{- skupino} podajo CH ₂ -CHOH-CH ₂ skeleta , kjer so barve rumeno in zeleno, kar pomeni zmanjšanje gostote elektronov; do skupino -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , najbolj elektronov rumeni regiji, modre barve.

Na splošno so regije, v katerih je gostota elektronov majhna (tisti obarvani rumeno in zeleno), v molekuli najmanj reaktivni.

Koncept

Gostota elektronov je bolj kot kemična po naravi fizična, saj elektroni ne ostanejo statični, ampak potujejo z ene strani na drugo in ustvarjajo električna polja.

Spreminjanje teh polj povzroča razlike v gostoti elektronov na van der Waalsovih površinah (na vseh tistih površinah kroglic).

Strukturo S-karnitina je predstavljen z modelom krogel in palic, vendar če bi bila njegova površina van der Waals, bi palice izginile in opazili bi le omejen niz krogel (z istimi barvami).

Elektroni so bolj verjetno, da so okoli bolj elektronegativnih atomov; vendar je v molekularni strukturi lahko več kot en elektronegativni atom in zato skupine atomov, ki izvajajo tudi svoj induktivni učinek.

To pomeni, da se električno polje razlikuje več, kot je mogoče predvideti z opazovanjem molekule s ptičje perspektive; to pomeni, da lahko pride do bolj ali manj polarizacije negativnih nabojev ali gostote elektronov.

To je mogoče razložiti tudi na naslednji način: porazdelitev nabojev postane bolj homogena.

Zemljevid elektrostatičnih potencialov

Na primer, ker ima skupina -OH atom kisika, privlači elektronsko gostoto svojih sosednjih atomov; Vendar pa v S-karnitina daje pripravljen del svoje elektronsko gostoto na -CO ₂ ^{- skupino} , medtem ko istočasno zapusti -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ skupina} s pomanjkanjem večjim elektronov.

Upoštevajte, da je lahko zelo težko sklepati, kako delujejo induktivni učinki na kompleksno molekulo, kot je beljakovina.

Da bi imeli pri roki pregled takšnih razlik v električnih poljih v strukturi, se uporablja računalniški izračun zemljevidov elektrostatičnega potenciala.

Ti izračuni sestavljajo postavitev pozitivnega točkovnega naboja in njegovo premikanje po površini molekule; kjer je manjša gostota elektronov, bo prišlo do elektrostatične odbojnosti, z večjo odbojnostjo pa bolj intenzivna bo modra barva.

Kjer je gostota elektronov višja, bo močna elektrostatična privlačnost, ki jo predstavlja rdeča barva.

Izračuni upoštevajo vse strukturne vidike, dipolne trenutke vezi, induktivne učinke, ki jih povzročajo vsi visoko elektronegativni atomi itd. In kot rezultat, dobite tiste barvite in vizualno privlačne površine.

Primerjava barv

Vir: Wikimedia Commons

Zgoraj je zemljevid elektrostatičnega potenciala molekule benzena. Upoštevajte, da je v središču obroča večja gostota elektronov, medtem ko so njegovi "nasveti" modrikaste barve, zaradi manj elektronegativnih vodikovih atomov. Prav tako je ta porazdelitev nabojev posledica aromatičnega značaja benzena.

Na tem zemljevidu sta opaženi tudi zeleni in rumeni barvi, kar kaže na približke regijam, ki so revne in bogate z elektroni.

Te barve imajo svojo lestvico, ki se razlikuje od S-karnitina; in zato ni pravilno primerjati s skupino CO ₂ ^- in sredino aromatskega obroča, tako z rdečo barvo v njihovih kartah zastopnika.

Če bi oba ohranila isto barvno lestvico, bi rdeča barva na zemljevidu benzena videla, da bi postala oranžna. V okviru te standardizacije lahko primerjamo elektrostatični potencialni zemljevid in s tem gostoto elektronov različnih molekul.

V nasprotnem primeru bi zemljevid služil le poznavanju porazdelitve naboja za posamezno molekulo.

Kemijska reaktivnost

Z opazovanjem zemljevida elektrostatičnega potenciala in s tem območij z visoko in nizko gostoto elektronov je mogoče predvideti (čeprav ne v vseh primerih), kjer se bodo v molekularni strukturi dogajale kemijske reakcije.

Regije z visoko gostoto elektronov lahko "oskrbijo" svoje elektrone z okoliškimi vrstami, ki jih potrebujejo ali jih potrebujejo; Te negativno nabite vrste, E ⁺ , so znane kot elektrofili.

Zato lahko elektrofili reagirajo s skupinami z rdečo barvo zastopa (-CO ₂ ^{- skupine} in središča benzenskega obroča).

Medtem ko regije z nizko gostoto elektronov reagirajo z negativno nabitimi vrstami ali s tistimi, ki imajo proste pare elektronov za deljenje; slednji so znani kot nukleofili.

Pri -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ skupini} , bo reagirajo na tak način, da je atom dušika prirast elektroni (se zmanjša).

Gostota elektronov v atomu

V atomu se elektroni gibljejo z ogromnimi hitrostmi in so lahko v več vesoljskih območjih hkrati.

Ko pa se oddaljenost od jedra povečuje, elektroni pridobijo elektronsko potencialno energijo in njihova verjetnostna porazdelitev se zmanjša.

To pomeni, da elektronski oblaki atoma nimajo definirane meje, ampak zamegljeno. Zato atomskega polmera ni enostavno izračunati; razen če obstajajo sosedje, ki vzpostavijo razliko v razdaljah njihovih jeder, od katerih je polovica lahko vzeta kot atomski polmer (r = d / 2).

Atomske orbitale ter njihove radialne in kotne valovne funkcije kažejo, kako se gostota elektronov spreminja kot funkcija oddaljenosti od jedra.

Reference

1. Reed College. (sf). Kaj je gostota elektronov? ROCO. Pridobljeno: reed.edu
2. Wikipedija. (2018). Gostota elektronov Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, dr. (11. junij 2014). Definicija elektronske gostote. Pridobljeno: misel.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Ilustrirani glosar organske kemije: gostota elektronov. Pridobljeno: chem.ucla.edu
5. Kemija LibreTexts. (29. november 2018). Atomske velikosti in elektronske porazdelitve gostote. Pridobljeno: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10 ^th izdaja.). Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesta izdaja). Mc Graw Hill.