ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОННАЯ ПЛОТНОСТЬ? - ХИМИЯ - 2025

Плотность электронов - это мера вероятности обнаружения электрона в определенной области пространства; либо вокруг атомного ядра, либо в «окрестностях» внутри молекулярных структур.

Чем выше концентрация электронов в данной точке, тем выше концентрация электронов, и, следовательно, она будет отличаться от окружающей среды и будет демонстрировать определенные характеристики, объясняющие химическую реактивность. Отличный графический способ представить такую ​​концепцию - это карта электростатического потенциала.

Источник: Мануэль Альмагро Ривас через Википедию

Например, на верхнем изображении показана структура энантиомера S-карнитина с соответствующей картой электростатического потенциала. Можно наблюдать шкалу, составленную из цветов радуги: красный означает область с самой высокой электронной плотностью, а синий - область, бедную электронами.

Поскольку молекула проходит слева направо, мы перемещаемся от группы -CO ₂ ^- к каркасу CH ₂ -CHOH-CH ₂ , где цвета желтый и зеленый, что указывает на уменьшение электронной плотности; до группы -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , наиболее бедной электронами области, окрашенной в синий цвет.

Обычно области с низкой электронной плотностью (желтые и зеленые) являются наименее реактивными в молекуле.

концепция

Электронная плотность больше, чем химическая, по своей природе физическая, потому что электроны не остаются статичными, а перемещаются с одной стороны на другую, создавая электрические поля.

И изменение этих полей вызывает различия в плотности электронов на поверхностях Ван-дер-Ваальса (всех этих поверхностях сфер).

Структура S-карнитина представлена ​​моделью сфер и полосок, но если бы она была на поверхности Ван-дер-Ваальса, полосы исчезли бы, и наблюдался бы только спекшийся набор сфер (с такими же цветами).

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

Это означает, что электрическое поле меняется больше, чем можно предсказать, наблюдая за молекулой с высоты птичьего полета; то есть может быть большая или меньшая поляризация отрицательных зарядов или электронной плотности.

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

Карта электростатического потенциала

Например, поскольку группа -ОН имеет атом кислорода, она притягивает электронную плотность соседних атомов; однако в S-карнитине он отдает часть своей электронной плотности группе -CO ₂ ^- , в то же время он оставляет группу -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ с большим электронным дефицитом.

Обратите внимание, что может быть очень сложно сделать вывод о том, как индукционные эффекты действуют на сложную молекулу, такую ​​как белок.

Для того чтобы иметь под рукой обзор таких различий в электрических полях в конструкции, используется вычислительный расчет карт электростатического потенциала.

Эти вычисления состоят в размещении положительного точечного заряда и перемещении его по поверхности молекулы; там, где меньше электронная плотность, будет электростатическое отталкивание, а чем больше отталкивание, тем интенсивнее будет синий цвет.

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

В расчетах учитываются все структурные аспекты, дипольные моменты связей, индукционные эффекты, вызванные всеми сильно электроотрицательными атомами и т. Д. И в результате вы получаете эти красочные и визуально привлекательные поверхности.

Сравнение цветов

Источник: Wikimedia Commons

Выше представлена ​​карта электростатического потенциала молекулы бензола. Обратите внимание, что в центре кольца больше электронная плотность, а его «кончики» имеют голубоватый цвет из-за менее электроотрицательных атомов водорода. Точно так же такое распределение зарядов связано с ароматическим характером бензола.

На этой карте также наблюдаются зеленый и желтый цвета, указывающие приближения к регионам, бедным и богатым электронами.

Эти цвета имеют свою собственную шкалу, отличную от шкалы S-карнитина; и, следовательно, некорректно сравнивать группу -CO ₂ ^- и центр ароматического кольца, оба представленных красным цветом на их картах.

Если бы они оба сохранили одну и ту же цветовую шкалу, красный цвет на бензольной карте стал бы слабым оранжевым. При такой стандартизации карты электростатического потенциала и, следовательно, плотности электронов различных молекул, можно сравнивать.

В противном случае карта будет служить только для определения распределения заряда для отдельной молекулы.

Химическая реактивность

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

Области с высокой электронной плотностью способны «снабжать» своими электронами окружающие виды, которые нуждаются в них или нуждаются в них; Эти отрицательно заряженные частицы, E ⁺ , известны как электрофилы.

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

В то время как области с низкой электронной плотностью реагируют с отрицательно заряженными частицами или с теми, которые имеют свободные пары электронов, которые можно разделить; последние известны как нуклеофилы.

В случае группы -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , она будет реагировать таким образом, что атом азота получает электроны (восстанавливается).

Электронная плотность в атоме

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

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

Это означает, что электронные облака атома не имеют определенной границы, а имеют размытую границу. Поэтому вычислить атомный радиус непросто; если только нет соседей, которые устанавливают различие в расстояниях своих ядер, половину которых можно принять за атомный радиус (r = d / 2).

Атомные орбитали и их радиальные и угловые волновые функции демонстрируют, как плотность электронов изменяется в зависимости от расстояния от ядра.

Ссылки

1. Рид-колледж. (SF). Что такое электронная плотность? ROCO. Получено с: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Электронная плотность. Получено с: en.wikipedia.org
3. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (11 июня 2014 г.). Определение электронной плотности. Получено с: thinkco.com
4. Стивен А. Хардинджер. (2017). Иллюстрированный глоссарий органической химии: электронная плотность. Получено с: chem.ucla.edu
5. Химия LibreTexts. (29 ноября 2018 г.). Атомные размеры и распределение электронной плотности. Получено с: chem.libretexts.org
6. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10- ^е изд.). Wiley Plus.
7. Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.