MIKÄ ON ELEKTRONIEN TIHEYS? - KEMIA - 2025

Elektronitiheys on mitta siitä, kuinka todennäköistä on, että löytää elektroni tietyllä alueella tilaa; joko atomin ytimen ympärillä tai "lähiöissä" molekyylirakenteiden sisällä.

Mitä korkeampi elektronien konsentraatio määrätyssä pisteessä on, sitä suurempi elektronien tiheys on, ja siksi se erottuu ympäristöstään ja sillä on tiettyjä ominaisuuksia, jotka selittävät kemiallisen reaktiivisuuden. Erinomainen graafinen tapa esittää tällainen käsite on sähköstaattisen potentiaalikartan avulla.

Lähde: Manuel Almagro Rivas Wikipedian kautta

Esimerkiksi yläkuvassa näkyy S-karnitiini-enantiomeerin rakenne vastaavalla sähköstaattisella potentiaalikartalla. Sateenkaaren väreistä koostuva asteikko voidaan havaita: punainen osoittaa alueen, jolla on suurin elektronitiheys, ja sininen alueelle, jolla on huono elektroni.

Koska molekyyli on käyty läpi vasemmalta oikealle, siirrymme -CO ₂ ^{- ryhmä} kohti CH ₂ -CHOH-CH ₂ luuranko, jossa värit ovat keltainen ja vihreä, mikä osoittaa laskua elektronitiheys; jopa ryhmä -N (CH ₃) ₃ ⁺, kaikkein elektroneja huono alue, väriltään sininen.

Alueet, joilla elektronitiheys on alhainen (ne, jotka ovat väriltään keltaisia ​​ja vihreitä), ovat yleensä vähiten reaktiivisia molekyylissä.

Konsepti

Elektronien tiheys on enemmän kuin kemiallista kuin fysikaalinen, koska elektronit eivät pysy staattisina, vaan kulkevat toiselta puolelta toiselle muodostaen sähkökenttiä.

Ja näiden kenttien variaatio aiheuttaa eroja elektronien tiheyksissä van der Waals -pinnoissa (kaikissa pallojen pinnoissa).

S-karnitiinin rakennetta edustaa pallojen ja tankojen malli, mutta jos se olisi sen van der Waals -pinnan takana, tanko katoaisi ja havaittaisiin vain tiivistetty pallojoukko (samoilla väreillä).

Elektronit ovat todennäköisemmin elektronegatiivisten atomien ympärillä; molekyylirakenteessa voi kuitenkin olla useampia kuin yksi sähköonegatiivinen atomi, ja siksi atomiryhmät, joilla on myös oma induktiivinen vaikutus.

Tämä tarkoittaa, että sähkökenttä vaihtelee enemmän kuin voidaan ennustaa tarkkailemalla molekyyliä lintuperspektiivistä; eli negatiivisten varausten tai elektronitiheyden polarisaatio voi olla enemmän tai vähemmän.

Tämä voidaan selittää myös seuraavasti: varausten jakautumisesta tulee homogeenisempi.

Sähköstaattinen potentiaalikartta

Esimerkiksi, koska -OH-ryhmässä on happiatomi, se houkuttelee vierekkäisten atomiensa elektronista tiheyttä; kuitenkin, S-karnitiinin se luovuttaa osan elektronitiheyden -CO ₂ ^{- ryhmä}, kun taas samaan aikaan se lähtee -N (CH ₃) ₃ ^{+ ryhmä}, jolla on suurempi elektroneja puute.

Huomaa, että voi olla erittäin vaikea päätellä kuinka induktiiviset vaikutukset vaikuttavat monimutkaiseen molekyyliin, kuten proteiiniin.

Jotta saataisiin käsin yleiskuva tällaisista rakenteen sähkökenttien eroista, käytetään sähköstaattisten potentiaalikarttojen laskennallista laskentaa.

Nämä laskelmat koostuvat positiivisen pistevarauksen asettamisesta ja sen liikuttamisesta molekyylin pintaa pitkin; missä on vähemmän elektronitiheyttä, tapahtuu sähköstaattinen heijastus, ja mitä suurempi heijastus on, sitä voimakkaampi sininen väri on.

Jos elektronitiheys on suurempi, siinä on voimakas sähköstaattinen vetovoima, jota edustaa punainen väri.

Laskelmissa otetaan huomioon kaikki rakenteelliset näkökohdat, sidosten dipolimomentit, kaikkien erittäin sähköä negatiivisten atomien aiheuttamat induktiiviset vaikutukset jne. Seurauksena on, että saat ne värikkäitä ja visuaalisesti miellyttäviä pintoja.

Värien vertailu

Lähde: Wikimedia Commons

Yllä on bentseenimolekyylin sähköstaattinen potentiaalikartta. Huomaa, että renkaan keskellä on suurempi elektronitiheys, kun taas sen "kärjet" ovat sinertäviä johtuen vähemmän elektronisesti negatiivisista vetyatomeista. Samoin tämä varausten jakautuminen johtuu bentseenin aromaattisesta luonteesta.

Tässä kartassa havaitaan myös vihreät ja keltaiset värit, mikä osoittaa likimääräisyydet alueille, jotka ovat köyhiä ja rikkaita elektroneja.

Näillä väreillä on oma mittakaavansa, erilainen kuin S-karnitiinin; ja siksi, se on virheellinen verrata -CO ₂ ^- ja keskustan aromaattisen renkaan, sekä edustaa värin punainen niiden karttoja.

Jos molemmat pitävät saman väriasteikon, punaisen värin bentseenikartassa nähdään muuttuvan heikoksi oranssiksi. Tämän standardoinnin avulla voidaan verrata sähköstaattisia potentiaalikarttoja ja siten erilaisten molekyylien elektronitiheyksiä.

Muutoin kartta palvelee vain yksittäisen molekyylin varausjakaumien tuntemusta.

Kemiallinen reaktiivisuus

Tarkkailemalla sähköstaattisen potentiaalin karttaa ja siten alueita, joilla on korkea ja matala elektronitiheys, voidaan ennustaa (vaikkakaan ei kaikissa tapauksissa), missä tapahtuu kemiallisia reaktioita molekyylirakenteessa.

Alueet, joilla on suuri elektronitiheys, kykenevät "toimittamaan" elektroninsa niitä tarvitseville tai tarvitseville ympäröiville lajeille; Nämä negatiivisesti varautuneet lajit, E ⁺, tunnetaan elektrofiileinä.

Näin ollen, elektrofiilit voi reagoida ryhmistä, joita esittävät väriä punainen (-CO ₂ ^{- ryhmä} ja keskellä bentseenirengas).

Vaikka alueet, joilla on alhainen elektronitiheys, reagoivat negatiivisesti varautuneiden lajien tai niiden kanssa, joissa on vapaita elektronipareja jakamaan; jälkimmäisiä tunnetaan nukleofiileinä.

Tapauksessa on -N (CH ₃) ₃ ^{+ ryhmä}, se reagoi siten, että typpiatomi voitot elektronit (vähenee).

Elektronien tiheys atomissa

Atomissa elektronit liikkuvat valtavalla nopeudella ja voivat olla useilla avaruusalueilla samanaikaisesti.

Koska etäisyys ytimestä kasvaa, elektronit saavat kuitenkin elektronisen potentiaalienergian ja niiden todennäköisyysjakauma pienenee.

Tämä tarkoittaa, että atomin elektronisilla pilvillä ei ole määritettyä rajaa, vaan hämärtynyt. Siksi atomisäteen laskeminen ei ole helppoa; paitsi jos on naapureita, jotka tekevät eroa ytimiensä etäisyyksissä, joista puolta voidaan pitää atomisäteenä (r = d / 2).

Atomaaliset kiertoradat ja niiden säteittäiset ja kulma-aaltofunktiot osoittavat kuinka elektronitiheys muuttuu ytimen etäisyyden funktiona.

Viitteet

1. Reed-yliopisto. (SF). Mikä on elektronien tiheys? ROCO. Palautettu: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Elektronien tiheys. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, tohtori Anne Marie (11. kesäkuuta 2014). Elektronien tiheyden määritelmä. Palautettu osoitteesta: gondo.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Kuvitettu orgaanisen kemian sanasto: elektronitiheys. Palautettu: chem.ucla.edu
5. Kemia LibreTexts. (29. marraskuuta 2018). Atomikoko ja elektronitiheysjakaumat. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Orgaaninen kemia. Amiineja. (10 ^th painos.). Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Orgaaninen kemia. (Kuudes painos). Mc Graw Hill.