VAD ÄR ELEKTRONDENSITET? - KEMI - 2025

Den elektrontätheten är ett mått på hur troligt det är att hitta elektronen i en viss region i rymden; antingen runt en atomkärna eller i "grannskapen" inom molekylstrukturer.

Ju högre koncentration av elektroner vid en given punkt, desto högre elektrondensitet, och därför kommer den att skilja sig från dess omgivningar och kommer att uppvisa vissa egenskaper som förklarar den kemiska reaktiviteten. Ett utmärkt grafiskt sätt att representera ett sådant koncept är genom den elektrostatiska potentialkartan.

Källa: Manuel Almagro Rivas via Wikipedia

Till exempel visar den övre bilden strukturen för S-karnitin-enantiomeren med dess motsvarande elektrostatiska potentialkarta. En skala sammansatt av regnbågens färger kan observeras: röd för att indikera det område med den högsta elektrontätheten och blått för det området som är dåligt i elektroner.

Som molekylen genomkorsas från vänster till höger, vi flytta bort från -CO ₂ ^{- grupp} mot CH ₂ -CHOH-CH ₂ skelett , där färgerna är gult och grönt, vilket indikerar en minskning i elektrondensitet; upp till gruppen -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , den mest elektronfattiga region, färgad blå.

I allmänhet är regionerna där elektrondensiteten är låg (de färgade gula och gröna) de minst reaktiva i en molekyl.

Begrepp

Mer än kemiskt är elektrontätheten fysisk av naturen, eftersom elektroner inte förblir statiska, utan reser från en sida till en annan och skapar elektriska fält.

Och variationen i dessa fält orsakar skillnaderna i elektronstätheten i van der Waals-ytorna (alla sfärer på ytorna).

Strukturen för S-karnitin representeras av en modell av sfärer och stänger, men om den var av dess van der Waals-yta skulle stängerna försvinna och endast en kakad uppsättning sfärer (med samma färger) skulle observeras.

Elektroner är mer benägna att vara runt de mer elektronegativa atomerna; emellertid kan det finnas mer än en elektronegativ atom i molekylstrukturen, och därför grupper av atomer som också utövar sin egen induktiva effekt.

Detta betyder att det elektriska fältet varierar mer än man kan förutsäga genom att observera en molekyl från en fågelperspektiv; det vill säga det kan finnas mer eller mindre polarisering av de negativa laddningarna eller av elektrondensiteten.

Detta kan också förklaras på följande sätt: fördelningen av avgifterna blir mer homogen.

Elektrostatisk potentiell karta

Eftersom till exempel -OH-gruppen har en syreatom, drar den till sig den elektroniska densiteten hos dess närliggande atomer; emellertid, i S-karnitin det ger en del av sin elektrondensitet till -CO ₂ ^{- grupp} , medan på samma gång den lämnar -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ grupp} med en större elektronisk brist.

Observera att det kan vara mycket svårt att dra slutsatsen hur induktiva effekter fungerar på en komplex molekyl, till exempel ett protein.

För att ha en översikt över handen om sådana skillnader i de elektriska fälten i strukturen används beräkningen av de elektrostatiska potentiella kartorna.

Dessa beräkningar består av att placera en positiv punktladdning och flytta den längs molekylens yta; där det finns mindre elektronstäthet kommer det att bli elektrostatisk avstötning, och med större avstötning blir den blå färgen mer intensiv.

Där elektronstätheten är högre kommer det att finnas en stark elektrostatisk attraktion, representerad av färgen röd.

Beräkningarna tar hänsyn till alla strukturella aspekter, bindningens dipolmoment, de induktiva effekterna som orsakas av alla mycket elektronegativa atomer, etc. Och som ett resultat får du de färgstarka och visuellt tilltalande ytorna.

Färgjämförelse

Källa: Wikimedia Commons

Ovan är den elektrostatiska potentialkartan för en bensenmolekyl. Observera att i mitten av ringen finns en högre elektrondensitet, medan dess "spetsar" är blåaktiga på grund av de mindre elektronegativa väteatomerna. På samma sätt beror denna fördelning av laddningar på bensenens aromatiska karaktär.

På den här kartan observeras också färgerna gröna och gula, vilket indikerar ungefärliga regioner som är fattiga och rika på elektroner.

Dessa färger har sin egen skala som skiljer sig från S-karnitin; och därför är det felaktigt att jämföra gruppen -CO ₂ ^- och mitten av den aromatiska ringen, båda representerade av färgen röd på sina kartor.

Om de båda hade samma färgskala, skulle den röda färgen på bensenkarta ses att den blir en svag orange. Under denna standardisering kan de elektrostatiska potentiella kartorna, och därför elektrondensiteterna för olika molekyler, jämföras.

Annars skulle kartan bara tjäna till att känna till laddningsfördelningarna för en enskild molekyl.

Kemisk reaktivitet

Genom att observera en karta över elektrostatisk potential, och därmed regioner med höga och låga elektrondensiteter, kan den förutsägas (även om inte i alla fall) där kemiska reaktioner kommer att inträffa i molekylstrukturen.

Regioner med hög elektrondensitet kan "tillhandahålla" sina elektroner till omgivande arter i behov eller i behov av dem; Dessa negativt laddade arter, E ⁺ , är kända som elektrofiler.

Därför kan elektrofiler reagera med de grupper som representeras av färgen röd (-CO ₂ ^{- grupp} och centrum av bensenringen).

Medan regionerna med låg elektrontäthet reagerar med negativt laddade arter eller med de som har fria elektronpar att dela; de senare är kända som nukleofiler.

I fallet med den -N (CH ₃ ) ₃ ^{+ grupp} , kommer den att reagera på ett sådant sätt att kväveatomen vinster elektroner (reduceras).

Elektrondensitet i atomen

I atomen rör sig elektroner med enorma hastigheter och kan vara i flera områden i rymden på samma gång.

Men när avståndet från kärnan ökar erhåller elektronerna elektronisk potentiell energi och deras sannolikhetsfördelning minskar.

Detta innebär att de elektroniska molnen i en atom inte har en definierad gräns, utan en suddig. Därför är det inte lätt att beräkna atomradie; Om det inte finns grannar som fastställer en skillnad i avståndet till sina kärnor, varav hälften kan tas som atomradie (r = d / 2).

Atomorbitaler, och deras radiella och vinkelvågfunktioner, visar hur elektrondensiteten förändras som en funktion av avståndet från kärnan.

referenser

1. Reed College. (Sf). Vad är elektrondensitet? ROCO. Återställd från: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Elektrontäthet. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 juni 2014). Definition av elektrondensitet. Återställd från: thoughtco.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Illustrerad Ordlista över organisk kemi: Elektrondensitet. Återställdes från: chem.ucla.edu
5. Kemi LibreTexts. (29 november 2018). Atomstorlekar och elektrondensitetsfördelningar. Återställd från: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10: ^e upplagan.) Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjätte upplagan). Mc Graw Hill.