Что такое электронная плотность?



электронная плотность это мера того, насколько вероятно найти электрон в данной области пространства; или вокруг атомного ядра, или в «окрестностях» внутри молекулярных структур.

Чем выше концентрация электронов в данной точке, тем больше плотность электронов, и, следовательно, она будет отличаться от окружающей среды и будет демонстрировать определенные характеристики, которые объясняют химическую реакционную способность. Графический и отличный способ представить такую ​​концепцию через карта электростатического потенциала.

Например, структура энантиомера S-карнитина с соответствующей картой электростатического потенциала показана на верхнем изображении. Можно наблюдать масштаб, составленный из цветов радуги: красный, чтобы указать область большей электронной плотности, и синий для этой области, бедной электронами..

По мере прохождения молекулы слева направо мы удаляемся от группы -СО2- по направлению к скелету СН2-СНОН-СН2, где цвета - желтый и зеленый, что указывает на уменьшение электронной плотности; в группу -N (CH3)3+, самая бедная область электронов, синяя.

Как правило, области, где электронная плотность низкая (желтый и зеленый цвета), являются наименее реактивными в молекуле.

индекс

  • 1 Концепция
  • 2 Карта электростатического потенциала
    • 2.1 Сравнение цветов
    • 2.2 Химическая реакционная способность
  • 3 Электронная плотность в атоме
  • 4 Ссылки

концепция

Электронная плотность - это больше, чем химия, она носит физический характер, поскольку электроны не остаются статичными, а перемещаются из одной стороны в другую, создавая электрические поля..

И изменение этих полей приводит к различиям в электронных плотностях на поверхностях Ван-дер-Ваальса (все эти поверхности сфер).

Структура S-карнитина представлена ​​моделью сфер и стержней, но если бы это было для его поверхности Ван-дер-Ваальса, стержни исчезли бы, и наблюдался бы только матовый набор сфер (с теми же цветами).

Электроны будут с большей вероятностью бродить вокруг более электроотрицательных атомов; однако в молекулярной структуре может быть более одного электроотрицательного атома, и, следовательно, группы атомов, которые также оказывают свое собственное индуктивное действие.

Это означает, что электрическое поле изменяется больше, чем можно предсказать, наблюдая за молекулой во время полета; то есть, может быть более или менее поляризация отрицательных зарядов или электронной плотности.

Это также можно объяснить следующим образом: распределение зарядов становится более однородным.

Карта электростатического потенциала

Например, группа -ОН, имеющая атом кислорода, притягивает электронную плотность соседних атомов; однако в S-карнитине он отдает часть своей электронной плотности группе -CO2-, в то же время покидая группу -N (CH3)3+ с большим электронным дефицитом.

Обратите внимание, что очень сложно определить, как индуктивные эффекты работают в сложной молекуле, такой как белок..

Чтобы получить представление о таких различиях в электрических полях в структуре, используется вычислительный расчет карт электростатического потенциала..

Эти расчеты состоят из помещения положительного точечного заряда и перемещения его вдоль поверхности молекулы; там, где плотность электронов меньше, возникает электростатическое отталкивание, и чем выше отталкивание, тем интенсивнее будет синий цвет.

Там, где электронная плотность больше, будет сильное электростатическое притяжение, представленное красным цветом..

В расчетах учитываются все структурные аспекты, дипольные моменты звеньев, индуктивные эффекты, вызванные всеми сильно электроотрицательными атомами и т. Д. И в результате вы получите эти красочные поверхности и визуальную привлекательность.

Сравнение цветов

Выше приведена карта электростатического потенциала для молекулы бензола. Обратите внимание, что в центре кольца более высокая плотность электронов, а его «точки» имеют голубоватый цвет из-за менее электроотрицательных атомов водорода. Также это распределение зарядов связано с ароматическим характером бензола.

На этой карте также наблюдаются зеленый и желтый цвета, что указывает на приближение к бедным и богатым электронами регионам..

Эти цвета имеют свою собственную шкалу, отличающуюся от шкалы S-карнитина; и поэтому некорректно сравнивать группу -CO2- и центр ароматического кольца, оба представлены красным цветом на их картах.

Если бы оба держали одну и ту же цветовую шкалу, это бы показало, что красный цвет на карте бензола превратился из слабого оранжевого. При этой стандартизации можно сравнивать карты электростатического потенциала и, следовательно, электронные плотности нескольких молекул..

Если нет, карта будет служить только для определения распределения заряда для отдельной молекулы.

Химическая реактивность

Наблюдая карту электростатического потенциала и, следовательно, областей с высокой и низкой электронной плотностью, можно предсказать (хотя и не во всех случаях), где химические реакции будут происходить в молекулярной структуре.

Регионы с высокой электронной плотностью способны «предоставлять» свои электроны окружающим видам, которые требуют или нуждаются в них; к этим видам, отрицательно заряженным, Е+, они известны как электрофилы.

Следовательно, электрофилы могут реагировать с группами, представленными красным цветом (группа -СО)2- и центр бензольного кольца).

В то время как области с низкой электронной плотностью, они реагируют с отрицательно заряженными разновидностями, или с теми, у которых есть пары без электронов, чтобы разделить; последние известны как нуклеофилы.

В случае группы -N (CH3)3+, он будет реагировать таким образом, что атом азота приобретает электроны (уменьшится).

Электронная плотность в атоме

В атоме электроны движутся с огромной скоростью и могут одновременно находиться в нескольких областях пространства.

Однако с увеличением расстояния до ядра электроны приобретают потенциальную электронную энергию, и их вероятностное распределение уменьшается.

Это означает, что электронные облака атома не имеют определенной границы, но размыты. Поэтому не легко вычислить атомный радиус; разве что есть соседи, которые устанавливают разницу в расстояниях между их ядрами, половину которых можно принять за атомный радиус (r = d / 2).

Атомные орбитали и их функции радиальных и угловых волн демонстрируют, как изменяется электронная плотность в зависимости от расстояния, отделяющего их от ядра..

ссылки

  1. Рид Колледж. (Н.Д.). Что такое электронная плотность? ROCO. Получено от: reed.edu
  2. Wikipedia. (2018). Электронная плотность. Получено с: en.wikipedia.org
  3. Хельменстин, Анна Мари, доктор философии (11 июня 2014 г.) Определение электронной плотности. Получено с: мысли
  4. Стивен А. Хардингер. (2017). Иллюстрированный словарь по органической химии: электронная плотность. Получено от: chem.ucla.edu
  5. Химия LibreTexts. (29 ноября 2018 г.) Размеры атомов и распределение электронной плотности. Получено от: chem.libretexts.org
  6. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10го издание.). Wiley Plus.
  7. Кэри Ф. (2008). Органическая химия (Шестое издание). Mc Graw Hill.