HVAD ER ELEKTRONDENSITET? - KEMI - 2026

Den elektron tæthed er et mål for, hvor sandsynligt det er, at finde elektronen i et bestemt område af rummet; enten omkring en atomkerne eller i "kvartererne" inden for molekylære strukturer.

Jo højere koncentrationen af ​​elektroner på et givet punkt, jo højere er elektronens densitet, og derfor vil den adskilles fra dens omgivelser og vil udvise visse egenskaber, der forklarer den kemiske reaktivitet. En fremragende grafisk måde at repræsentere et sådant koncept på er gennem det elektrostatiske potentialekort.

Kilde: Manuel Almagro Rivas via Wikipedia

For eksempel viser det øverste billede strukturen af ​​S-carnitin-enantiomeren med dets tilsvarende elektrostatiske potentialekort. En skala, der er sammensat af regnbuens farver, kan observeres: rød for at indikere det område med den højeste elektrondensitet, og blåt for det område, der er fattigt i elektroner.

Som molekylet gennemløbes fra venstre til højre, bevæger vi os væk fra -CO ₂ ^{- gruppe} mod CH ₂ -CHOH-CH ₂ skelet, hvor farverne er gul og grøn, hvilket indikerer et fald i elektron densitet; op til gruppen -N (CH ₃) ₃ ⁺, den mest elektron-fattige region, farvet blå.

Generelt er regionerne, hvor elektrontætheden er lav (de farvede gule og grønne), de mindst reaktive i et molekyle.

Koncept

Elektrotætheden er fysisk mere end kemisk, fordi elektroner ikke forbliver statiske, men rejser fra den ene side til den anden og skaber elektriske felter.

Og variationen af ​​disse felter forårsager forskellene i elektrontætheden i van der Waals-overflader (alle disse kugleroverflader).

Strukturen af ​​S-carnitin er repræsenteret ved en model af kugler og stænger, men hvis det var ved dens van der Waals overflade, ville stængerne forsvinde, og kun et kaket sæt kugler (med de samme farver) ville blive observeret.

Elektroner er mere tilbøjelige til at være omkring de mere elektronegative atomer; der kan imidlertid være mere end et elektronegativt atom i molekylstrukturen, og derfor er grupper af atomer, der også udøver deres egen induktive virkning.

Dette betyder, at det elektriske felt varierer mere, end man kan forudsige ved at observere et molekyle fra et fugleperspektiv; det vil sige, der kan være mere eller mindre polarisering af de negative ladninger eller af elektrondensiteten.

Dette kan også forklares på følgende måde: fordelingen af ​​afgifterne bliver mere homogen.

Elektrostatisk potentialekort

Fordi -OH-gruppen for eksempel har et iltatom, tiltrækker den den elektroniske densitet af dets tilstødende atomer; imidlertid i S-carnitin giver en del af sin elektrontæthed til CO ₂ ^{- gruppe}, mens samtidig den forlader -N (CH ₃) ₃ ^{+ -gruppe} med en større elektronisk mangel.

Bemærk, at det kan være meget vanskeligt at udlede, hvordan induktive effekter fungerer på et komplekst molekyle, såsom et protein.

For at have et overblik over sådanne forskelle i de elektriske felter i strukturen bruges beregningsberegningen af ​​de elektrostatiske potentialekort.

Disse beregninger består af at placere en positiv punktladning og bevæge den langs molekylets overflade; hvor der er mindre elektrondensitet, vil der være elektrostatisk frastødning, og med større frastødning, jo mere intens vil den blå farve være.

Hvor elektrontætheden er højere, vil der være en stærk elektrostatisk tiltrækning repræsenteret af farven rød.

Beregningerne tager højde for alle strukturelle aspekter, bindingernes dipolmomenter, de induktive effekter forårsaget af alle de meget elektronegative atomer osv. Og som et resultat får du de farverige og visuelt tiltalende overflader.

Farvesammenligning

Kilde: Wikimedia Commons

Ovenfor er det elektrostatiske potentialekort for et benzenmolekyle. Bemærk, at i midten af ​​ringen er der en højere elektrondensitet, mens dens "spidser" er blålig farve på grund af de mindre elektronegative brintatomer. Ligeledes skyldes denne fordeling af ladninger benzenens aromatiske karakter.

På dette kort observeres også farverne grøn og gul, hvilket indikerer tilnærmelserne til regionerne, der er fattige og rige på elektroner.

Disse farver har deres egen skala, der er forskellig fra S-carnitin; og derfor er det forkert at sammenligne gruppen -CO ₂ ^- og midten af ​​den aromatiske ring, begge repræsenteret ved den røde farve på deres kort.

Hvis de begge havde den samme farveskala, kunne den røde farve på benzenkortet ses at blive en svag orange. Under denne standardisering kan de elektrostatiske potentialekort, og derfor elektrontæthederne for forskellige molekyler, sammenlignes.

Ellers tjener kortet kun til at kende ladningsfordelingerne for et individuelt molekyle.

Kemisk reaktivitet

Ved at observere et kort over elektrostatisk potentiale og derfor regioner med høje og lave elektrondensiteter kan det forudsiges (skønt ikke i alle tilfælde), hvor kemiske reaktioner vil forekomme i molekylstrukturen.

Regioner med høj elektrondensitet er i stand til at "levere" deres elektroner til omgivende arter, der har behov eller har behov for dem; Disse negativt ladede arter, E ⁺, er kendt som elektrofiler.

Derfor kan elektrofiler reagere med de grupper, der er repræsenteret med den røde farve (-CO ₂ ^{- gruppen} og midten af ​​benzenringen).

Mens regionerne med lav elektrontæthed reagerer med negativt ladede arter eller med dem, der har frie par elektroner at dele; sidstnævnte er kendt som nukleofiler.

I tilfælde af -N (CH ₃) ₃ ^{+ gruppe}, vil det reagere på en sådan måde, at nitrogen atom gevinster elektroner (reduceres).

Elektron densitet i atomet

I atomet bevæger elektroner sig med enorme hastigheder og kan være i flere områder af rummet på samme tid.

Efterhånden som afstanden fra kernen øges, får elektronerne imidlertid elektronisk potentiel energi, og deres sandsynlighedsfordeling falder.

Dette betyder, at de elektroniske skyer i et atom ikke har en defineret grænse, men en sløret. Derfor er det ikke let at beregne atomradiusen; medmindre der er naboer, der fastlægger en forskel i afstanden til deres kerner, hvoraf halvdelen kan tages som atomradius (r = d / 2).

Atom orbitaler og deres radiale og vinkelbølgefunktioner demonstrerer, hvordan elektrondensiteten ændrer sig som en funktion af afstanden fra kernen.

Referencer

1. Reed College. (Sf). Hvad er elektrondensitet? ROCO. Gendannes fra: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Elektron densitet. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (11. juni 2014). Definition af elektrontæthed. Gendannes fra: thoughtco.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Illustreret ordliste for organisk kemi: Elektrontæthed. Gendannes fra: chem.ucla.edu
5. Kemi LibreTexts. (29. november 2018). Atomstørrelser og elektrondensitetsfordelinger. Gendannes fra: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10 ^th edition.). Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.