ČO JE HUSTOTA ELEKTRÓNOV? - CHÉMIA - 2026

Hustota elektrónov je miera pravdepodobnosti nájdenia elektrónu v určitej oblasti vesmíru; buď okolo atómového jadra alebo v „štvrtiach“ v rámci molekulárnych štruktúr.

Čím vyššia je koncentrácia elektrónov v danom bode, tým vyššia je hustota elektrónov, a preto bude odlíšená od svojho okolia a bude vykazovať určité charakteristiky, ktoré vysvetľujú chemickú reaktivitu. Vynikajúci grafický spôsob, ako reprezentovať takýto koncept, je prostredníctvom mapy elektrostatického potenciálu.

Zdroj: Manuel Almagro Rivas prostredníctvom Wikipédie

Napríklad horný obrázok ukazuje štruktúru S-karnitínového enantioméru s príslušnou mapou elektrostatického potenciálu. Je možné pozorovať mierku zloženú z farieb dúhy: červená, ktorá označuje oblasť s najvyššou hustotou elektrónov, a modrá pre oblasť, ktorá nie je elektrónmi zlá.

Ako je molekula prechádza zľava doprava, sa pohybujeme od -Čo ₂ ^{- skupiny} na CH ₂ -CHOH-CH ₂ skeletu , kde farby sú žltá a zelená, čo naznačuje pokles hustoty elektrónov; až k skupine -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , najviac elektróny chudobný regiónu, farebné modrej.

Všeobecne sú oblasti, v ktorých je hustota elektrónov nízka (tie, ktoré sú zafarbené žlté a zelené), najmenej reaktívne v molekule.

pojem

Viac ako chemická je hustota elektrónov svojou povahou fyzická, pretože elektróny nezostávajú statické, ale cestujú z jednej strany na druhú a vytvárajú elektrické polia.

A kolísanie týchto polí spôsobuje rozdiely v hustote elektrónov v van der Waalsových povrchoch (všetky tieto povrchy guľôčok).

Štruktúra S-karnitínu je reprezentovaná modelom guľôčok a tyčiniek, ale ak by to bolo na povrchu van der Waalsovej, tyčinky by zmizli a bola by pozorovaná iba spekaná sústava guľôčok (s rovnakými farbami).

Elektróny sa pravdepodobne budú nachádzať okolo elektrónovegatívnejších atómov; v molekulárnej štruktúre však môže byť viac ako jeden elektronegatívny atóm, a preto skupiny atómov, ktoré tiež uplatňujú svoj vlastný indukčný účinok.

To znamená, že elektrické pole sa mení viac, ako je možné predpovedať pozorovaním molekuly z vtáčieho oka; to znamená, že môže dôjsť k väčšej alebo menšej polarizácii negatívnych nábojov alebo hustoty elektrónov.

Toto sa dá vysvetliť aj nasledujúcim spôsobom: rozdelenie poplatkov sa stáva homogénnejším.

Mapa elektrostatického potenciálu

Napríklad, pretože skupina -OH má atóm kyslíka, priťahuje elektronickú hustotu svojich susedných atómov; však, v S-karnitínu dáva časť svojej elektrónové hustoty na -Čo ₂ ^{- skupiny} , zatiaľ čo v rovnakom čase, keď opustí -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ skupinu} s väčším elektronickým deficitu.

Všimnite si, že môže byť veľmi ťažké odvodiť, ako indukčné účinky pôsobia na komplexnú molekulu, ako je napríklad proteín.

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

Tieto výpočty pozostávajú z kladného bodového náboja a jeho pohybu po povrchu molekuly; tam, kde je menšia hustota elektrónov, dôjde k elektrostatickému odpudzovaniu as väčšou odpudivosťou bude intenzívnejšia modrá farba.

Ak je hustota elektrónov vyššia, bude tu silná elektrostatická príťažlivosť, ktorá bude predstavovaná červenou farbou.

Pri výpočtoch sa berú do úvahy všetky štrukturálne aspekty, dipólové momenty väzieb, indukčné účinky spôsobené všetkými vysoko elektronegatívnymi atómami atď. Vďaka tomu získate tie farebné a vizuálne príťažlivé povrchy.

Farebné porovnanie

Zdroj: Wikimedia Commons

Hore je mapa elektrostatického potenciálu pre molekulu benzénu. Všimnite si, že v strede kruhu je vyššia hustota elektrónov, zatiaľ čo jeho „špičky“ majú modravú farbu v dôsledku menej elektronegatívnych atómov vodíka. Podobne je toto rozdelenie poplatkov spôsobené aromatickým charakterom benzénu.

Na tejto mape sú tiež pozorované zelené a žlté farby, čo ukazuje na aproximácie oblastí chudobných a bohatých na elektróny.

Tieto farby majú svoju vlastnú stupnicu, odlišnú od S-karnitínu; a preto je nesprávne porovnávať skupinu -Čo ₂ ^- a stred aromatického kruhu, a to ako reprezentované červenou farbou vo svojich mapách.

Keby si obaja zachovali rovnakú farebnú škálu, červená farba na benzénovej mape by sa zmenila na oranžovú. Pri tejto štandardizácii je možné porovnávať mapy elektrostatického potenciálu, a tým aj hustoty elektrónov rôznych molekúl.

V opačnom prípade by mapa slúžila len na zoznámenie sa s rozdelením náboja pre jednotlivé molekuly.

Chemická reaktivita

Pozorovaním mapy elektrostatického potenciálu, a teda aj oblastí s vysokou a nízkou hustotou elektrónov, je možné predpovedať (aj keď nie vždy), 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; Tieto negatívne nabité druhy, E ⁺ , sú známe ako elektrofily.

Preto môže reagovať s elektrofil skupín reprezentovaných červená farba (-Čo ₂ ^{- skupiny} a stredu benzenového kruhu).

Zatiaľ čo regióny s nízkou hustotou elektrónov reagujú s negatívne nabitými druhmi alebo s regiónmi, ktoré majú spoločné dvojice elektrónov na zdieľanie; tieto sú známe ako nukleofily.

V prípade, že skupina -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ skupine} , bude reagovať takým spôsobom, že atóm dusíka zisky elektróny (je zmenšený).

Elektrónová hustota v atóme

V atóme sa elektróny pohybujú obrovskými rýchlosťami a môžu byť súčasne v niekoľkých oblastiach vesmíru.

Avšak so zväčšujúcou sa vzdialenosťou od jadra elektróny získavajú elektrickú potenciálnu energiu a ich pravdepodobnostná distribúcia sa znižuje.

To znamená, že elektronické oblaky atómu nemajú definované hranice, ale rozmazané. Preto nie je ľahké vypočítať atómový polomer; pokiaľ neexistujú susedia, ktorí určujú rozdiel v vzdialenostiach svojich jadier, z ktorých polovicu možno považovať za atómový polomer (r = d / 2).

Atómové orbitaly a ich funkcie radiálnych a uhlových vĺn ukazujú, ako sa mení hustota elektrónov v závislosti od vzdialenosti od jadra.

Referencie

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