- Pojęcie
- Mapa potencjału elektrostatycznego
- Porównanie kolorów
- Reaktywność chemiczna
- Gęstość elektronów w atomie
- Bibliografia
Gęstości elektronowej jest miarą tego, jak prawdopodobne jest to, aby znaleźć elektronu w danym rejonie przestrzeni; albo wokół jądra atomowego, albo w „sąsiedztwie” struktur molekularnych.
Im wyższe stężenie elektronów w danym punkcie, tym większa gęstość elektronów, a zatem będzie on odróżniał się od otoczenia i będzie wykazywał pewne cechy wyjaśniające reaktywność chemiczną. Doskonałym graficznym sposobem przedstawienia takiej koncepcji jest mapa potencjału elektrostatycznego.
Źródło: Manuel Almagro Rivas z Wikipedii
Na przykład górny obraz przedstawia strukturę enancjomeru S-karnityny z odpowiadającą mu mapą potencjału elektrostatycznego. Można zaobserwować skalę składającą się z kolorów tęczy: czerwony, aby wskazać region o największej gęstości elektronów, a niebieski dla regionu, który jest ubogi w elektrony.
W miarę przechodzenia cząsteczki od lewej do prawej, oddalamy się od grupy -CO 2 - w kierunku szkieletu CH 2 -CHOH-CH 2 , gdzie kolory są żółte i zielone, co wskazuje na spadek gęstości elektronów; do grupy -N (CH 3 ) 3 + , region najbardziej ubogi w elektrony, zabarwiony na niebiesko.
Ogólnie rzecz biorąc, regiony, w których gęstość elektronów jest niska (te zabarwione na żółto i zielono) są najmniej reaktywne w cząsteczce.
Pojęcie
Gęstość elektronów ma charakter bardziej niż chemiczny, ponieważ elektrony nie pozostają statyczne, ale przemieszczają się z jednej strony na drugą, tworząc pola elektryczne.
A zmienność tych pól powoduje różnice w gęstościach elektronów na powierzchniach van der Waalsa (wszystkie te powierzchnie sfer).
Strukturę S-karnityny reprezentuje model sfer i prętów, ale gdyby była to powierzchnia van der Waalsa, słupki zniknęłyby i zaobserwowano by tylko zbrylony zestaw kul (o tych samych kolorach).
Elektrony z większym prawdopodobieństwem będą znajdować się wokół atomów bardziej elektroujemnych; jednakże w strukturze molekularnej może znajdować się więcej niż jeden atom ujemny, a zatem grupy atomów, które również wywierają swój własny efekt indukcyjny.
Oznacza to, że pole elektryczne zmienia się bardziej, niż można przewidzieć, obserwując cząsteczkę z lotu ptaka; to znaczy, może występować większa lub mniejsza polaryzacja ładunków ujemnych lub gęstości elektronów.
Można to również wyjaśnić w następujący sposób: rozkład ładunków staje się bardziej jednorodny.
Mapa potencjału elektrostatycznego
Na przykład, ponieważ grupa -OH ma atom tlenu, przyciąga gęstość elektronową sąsiednich atomów; jednak w S-karnitynie oddaje część swojej gęstości elektronowej grupie -CO 2 - , jednocześnie pozostawiając grupę -N (CH 3 ) 3 + z większym niedoborem elektronowym.
Należy pamiętać, że może być bardzo trudno wywnioskować, jak efekty indukcyjne działają na złożoną cząsteczkę, taką jak białko.
Aby mieć pod ręką przegląd takich różnic w polach elektrycznych w konstrukcji, zastosowano obliczenia obliczeniowe map potencjału elektrostatycznego.
Obliczenia te polegają na umieszczeniu dodatniego ładunku punktowego i przesunięciu go po powierzchni cząsteczki; tam, gdzie gęstość elektronów jest mniejsza, będzie odpychanie elektrostatyczne, a przy większym odpychaniu, tym intensywniejszy będzie niebieski kolor.
Tam, gdzie gęstość elektronów jest wyższa, występuje silne przyciąganie elektrostatyczne, reprezentowane przez kolor czerwony.
Obliczenia uwzględniają wszystkie aspekty strukturalne, momenty dipolowe wiązań, efekty indukcyjne wywołane przez wszystkie silnie elektroujemne atomy itp. W rezultacie otrzymujesz te kolorowe i atrakcyjne wizualnie powierzchnie.
Porównanie kolorów
Źródło: Wikimedia Commons
Powyżej znajduje się mapa potencjału elektrostatycznego dla cząsteczki benzenu. Zauważ, że w środku pierścienia występuje większa gęstość elektronów, podczas gdy jego „końcówki” mają kolor niebieskawy z powodu mniej elektroujemnych atomów wodoru. Podobnie, ten rozkład ładunków wynika z aromatycznego charakteru benzenu.
Na tej mapie obserwuje się również kolory zielony i żółty, co wskazuje na przybliżenie regionów ubogich i bogatych w elektrony.
Te kolory mają swoją własną skalę, różną od skali S-karnityny; dlatego błędem jest porównywanie grupy -CO 2 - i środka pierścienia aromatycznego, które na ich mapach są reprezentowane przez kolor czerwony.
Gdyby obaj zachowali tę samą skalę kolorów, czerwony kolor na mapie benzenu zmieniłby się na bladopomarańczowy. W ramach tej standaryzacji można porównać mapy potencjału elektrostatycznego, a tym samym gęstości elektronów różnych cząsteczek.
W przeciwnym razie mapa służyłaby tylko do poznania rozkładów ładunków dla pojedynczej cząsteczki.
Reaktywność chemiczna
Obserwując mapę potencjału elektrostatycznego, a tym samym obszary o wysokich i niskich gęstościach elektronów, można przewidzieć (choć nie we wszystkich przypadkach), w których w strukturze molekularnej zajdą reakcje chemiczne.
Regiony o dużej gęstości elektronowej są w stanie „dostarczać” swoje elektrony otaczającym gatunkom, które ich potrzebują lub potrzebują; Te ujemnie naładowane gatunki, E + , są znane jako elektrofile.
Dlatego elektrofile mogą reagować z grupami oznaczonymi kolorem czerwonym (grupa -CO 2 - i środek pierścienia benzenowego).
Podczas gdy regiony o niskiej gęstości elektronów reagują z gatunkami naładowanymi ujemnie lub z tymi, które mają wolne pary elektronów do podziału; te ostatnie znane są jako nukleofile.
W przypadku grupy -N (CH 3 ) 3 + będzie reagować w taki sposób, że atom azotu zyska elektrony (zostanie zredukowany).
Gęstość elektronów w atomie
W atomie elektrony poruszają się z ogromną prędkością i mogą znajdować się w kilku obszarach przestrzeni w tym samym czasie.
Jednak wraz ze wzrostem odległości od jądra elektrony nabywają elektronową energię potencjalną, a ich dystrybucja probabilistyczna maleje.
Oznacza to, że elektroniczne chmury atomu nie mają określonej granicy, ale są zamazane. Dlatego nie jest łatwo obliczyć promień atomowy; chyba że sąsiedzi, którzy ustalą różnicę w odległościach ich jąder, z których połowę można przyjąć jako promień atomowy (r = d / 2).
Orbitale atomowe oraz ich funkcje fal radialnych i kątowych pokazują, jak zmienia się gęstość elektronów w funkcji odległości od jądra.
Bibliografia
- Reed College. (sf). Co to jest gęstość elektronów? ROCO. Odzyskany z: reed.edu
- Wikipedia. (2018). Gęstość elektronów. Odzyskane z: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 czerwca 2014). Definicja gęstości elektronów. Odzyskany z: thinkco.com
- Steven A. Hardinger. (2017). Ilustrowany słownik chemii organicznej: gęstość elektronów. Odzyskany z: chem.ucla.edu
- Chemistry LibreTexts. (29 listopada 2018). Rozmiary atomowe i rozkłady gęstości elektronów. Odzyskane z: chem.libretexts.org
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy. (10 th Edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Chemia organiczna. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.