ЩО ТАКЕ ЕЛЕКТРОННА ЩІЛЬНІСТЬ? - ХІМІЯ - 2025

Щільність електронів є мірою того , наскільки ймовірно, щоб знайти електрон в певній області простору; або навколо атомного ядра, або в "мікрорайонах" всередині молекулярних структур.

Чим вище концентрація електронів у даній точці, тим вище щільність електронів, а отже, вона буде відрізнятися від її оточення та проявлятиме певні характеристики, що пояснюють хімічну реактивність. Відмінний графічний спосіб представлення такої концепції - через електростатичну карту потенціалу.

Джерело: Мануель Альмагро Рівас через Вікіпедію

Наприклад, на верхньому зображенні показана структура S-карнітинового енантіомеру з відповідною картою електростатичного потенціалу. Можна спостерігати шкалу, що складається з кольорів веселки: червоний для позначення області з найвищою щільністю електронів, а синій - для області, яка бідна електронами.

По мірі проходження молекули зліва направо, ми віддаляємось від групи -CO ₂ ^- до скелета CH ₂ -CHOH-CH ₂ , де кольори жовті та зелені, що свідчить про зниження щільності електронів; до групи -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , найбільш бідна електронами область, пофарбована в синій колір.

Як правило, регіони, де щільність електронів низька (ті, які мають жовто-зелений колір), є найменш реактивними в молекулі.

Концепція

Більш ніж хімічна, електронна щільність має фізичну природу, оскільки електрони не залишаються статичними, а рухаються з однієї сторони в іншу, створюючи електричні поля.

І зміна цих полів спричиняє різниці у щільності електронів у поверхнях Ван-дер-Ваальса (у всіх тих поверхнях сфер).

Структура S-карнітину представлена ​​моделлю сфер і брусків, але якби його поверхню Ван-дер-Ваальса, бруски зникли б і спостерігався б лише злипаний набір сфер (з однаковими кольорами).

Електрони частіше бувають навколо більше електронегативних атомів; однак у молекулярній структурі може бути більше одного електронегативного атома, а отже, групи атомів, які також чинять власний індуктивний ефект.

Це означає, що електричне поле змінюється більше, ніж можна передбачити, спостерігаючи молекулу з пташиного польоту; тобто може бути більш-менш поляризація негативних зарядів або щільності електронів.

Це також можна пояснити наступним чином: розподіл зарядів стає більш однорідним.

Карта електростатичного потенціалу

Наприклад, оскільки група -OH має атом кисню, вона притягує електронну щільність сусідніх атомів; однак у S-карнітині він віддає частину своєї електронної щільності до -CO ₂ ^{- групи} , в той же час він залишає ^групу -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ з більшим дефіцитом електронів.

Зауважте, що може бути дуже важко зробити висновок, як діють індуктивні ефекти на складну молекулу, таку як білок.

Щоб мати під рукою огляд таких відмінностей електричних полів у структурі, використовується обчислювальний розрахунок карт електростатичного потенціалу.

Ці розрахунки полягають у розміщенні позитивного точкового заряду та переміщенні його по поверхні молекули; там, де менша щільність електронів, буде електростатичне відштовхування, а при більшому відштовхуванні сильніше буде синій колір.

Там, де щільність електронів більша, буде сильний електростатичний потяг, представлений червоним кольором.

Розрахунки враховують усі структурні аспекти, дипольні моменти зв’язків, індуктивні ефекти, спричинені усіма сильно електронегативними атомами тощо. І як результат, ви отримуєте ті барвисті та візуально привабливі поверхні.

Порівняння кольорів

Джерело: Wikimedia Commons

Вище - електростатична карта потенціалу молекули бензолу. Зауважимо, що в центрі кільця вища щільність електронів, тоді як його «наконечники» мають синюватий колір, через менш електроотримані атоми водню. Так само такий розподіл зарядів обумовлений ароматичним характером бензолу.

На цій карті також спостерігаються кольори зелений та жовтий, що вказує на наближення до регіонів бідних та багатих електронами.

Ці кольори мають свою шкалу, відмінну від S-карнітину; і тому неправильно порівнювати групу -CO ₂ ^- та центр ароматичного кільця, обидва представлені кольором червоного на їх картах.

Якби вони обидва зберігали однакову кольорову гаму, червоний колір на карті бензолу був би видно слабким оранжевим. У рамках цієї стандартизації можна порівняти електростатичний потенціал, а отже, щільність електронів різних молекул.

В іншому випадку карта буде слугувати лише для знання розподілів заряду для окремої молекули.

Хімічна реактивність

Дотримуючись карти електростатичного потенціалу, а отже, областей з високою та низькою щільністю електронів, можна передбачити (хоча і не у всіх випадках), коли в молекулярній структурі відбудуться хімічні реакції.

Регіони з високою щільністю електронів здатні "надавати" свої електрони навколишнім видам, які потребують або потребують у них; Ці негативно заряджені види, Е ⁺ , відомі як електрофіли.

Тому електрофіли можуть реагувати з групами, представленими кольором червоного кольору ( ^група -CO ₂ ^{- група} та центр бензольного кільця).

У той час як регіони з низькою електронною щільністю реагують з негативно зарядженими видами або з тими, у яких вільні пари електронів діляться; останні відомі як нуклеофіли.

У випадку групи -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , вона буде реагувати таким чином, що атом азоту набирає електрони (зменшується).

Електронна щільність в атомі

В атомі електрони рухаються з величезною швидкістю і можуть перебувати одночасно в декількох областях простору.

Однак у міру збільшення відстані від ядра електрони набувають електронної потенційної енергії та їх імовірнісний розподіл зменшується.

Це означає, що електронні хмари атома мають не визначену межу, а розмиту. Тому обчислити атомний радіус непросто; якщо немає сусідів, які встановлюють різницю відстаней їх ядер, половину з яких можна вважати атомним радіусом (r = d / 2).

Атомні орбіталі та їх радіальна та кутова хвильові функції демонструють, як змінюється щільність електронів у залежності від відстані від ядра.

Список літератури

1. Рид-коледж. (sf). Що таке електронна щільність? ROCO. Відновлено з: reed.edu
2. Вікіпедія. (2018). Щільність електронів. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (11 червня 2014 р.). Визначення щільності електронів. Відновлено з: thinkco.com
4. Стівен А. Хардінгер. (2017). Ілюстрований словник органічної хімії: Електронна щільність. Відновлено: chem.ucla.edu
5. Хімія LibreTexts. (29 листопада 2018 р.). Атомні розміри та електронні розподіли щільності. Відновлено з: chem.libretexts.org
6. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10- ^е видання.) Wiley Plus.
7. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.