CO JE HUSTOTA ELEKTRONŮ? - CHEMIE - 2025

Elektronové hustoty je měřítkem toho, jak je pravděpodobnost, že se najít elektron v určité oblasti prostoru; buď kolem atomového jádra, nebo v „čtvrtích“ uvnitř molekulárních struktur.

Čím vyšší je koncentrace elektronů v daném bodě, tím vyšší je hustota elektronů, a proto bude odlišen od svého okolí a bude vykazovat určité vlastnosti, které vysvětlují chemickou reaktivitu. Vynikající grafický způsob, jak reprezentovat takový koncept, je prostřednictvím mapy elektrostatického potenciálu.

Zdroj: Manuel Almagro Rivas prostřednictvím Wikipedie

Například horní obrázek ukazuje strukturu enantiomeru S-karnitinu s odpovídající mapou elektrostatického potenciálu. Lze pozorovat stupnici tvořenou barvami duhy: červená pro označení oblasti s nejvyšší hustotou elektronů a modrá pro tuto oblast, která je v elektronech chudá.

Jak je molekula prochází zleva doprava, se pohybujeme od -CO ₂ ^{- skupiny} na CH ₂ -CHOH-CH ₂ skeletu, kde barvy jsou žlutá a zelená, což naznačuje pokles hustoty elektronů; až ke skupině -N (CH ₃) ₃ ⁺, nejvíce elektrony chudý regionu, barevné modré.

Obecně jsou oblasti, ve kterých je hustota elektronů nízká (ty zbarvené žluté a zelené), nejméně reaktivní v molekule.

Pojem

Více než chemická je hustota elektronů v přírodě fyzická, protože elektrony nezůstávají statické, ale cestují z jedné strany na druhou a vytvářejí elektrická pole.

A změna těchto polí způsobuje rozdíly v hustotě elektronů v van der Waalsových plochách (všechny tyto povrchy koulí).

Struktura S-karnitinu je reprezentována modelem sfér a tyčí, ale pokud by to bylo na jeho van der Waalsově povrchu, ty by zmizely a byla by pozorována pouze spečená sada kuliček (se stejnými barvami).

Elektrony jsou pravděpodobněji kolem elektronegativnějších atomů; v molekulární struktuře však může být více než jeden elektronegativní atom, a proto skupiny atomů, které také uplatňují svůj vlastní indukční účinek.

To znamená, že elektrické pole se mění více, než lze předvídat pozorováním molekuly z ptačí perspektivy; to znamená, že může existovat více či méně polarizace negativních nábojů nebo hustoty elektronů.

To lze také vysvětlit následujícím způsobem: rozdělení poplatků se stává homogennější.

Mapa elektrostatického potenciálu

Například protože -OH skupina má atom kyslíku, přitahuje elektronickou hustotu svých sousedních atomů; nicméně, v S-karnitinu poskytuje část svého elektronové hustoty na -CO ₂ ^{- skupiny}, zatímco ve stejnou dobu, kdy opustí -N (CH ₃) ₃ ^{+ skupina} s nedostatkem elektronů větší.

Všimněte si, že může být velmi obtížné odvodit, jak indukční účinky působí na komplexní molekulu, jako je protein.

Abychom měli přehled o těchto rozdílech v elektrických polích ve struktuře, používá se výpočetní výpočet map elektrostatického potenciálu.

Tyto výpočty spočívají v položení kladného bodového náboje a jeho posunutí po povrchu molekuly; tam, kde je menší hustota elektronů, dojde k elektrostatickému odpuzování a čím větší odpuzování, tím intenzivnější bude modrá barva.

Tam, kde je hustota elektronů vyšší, dojde k silné elektrostatické přitažlivosti představované červenou barvou.

Výpočty zohledňují všechny strukturální aspekty, dipólové momenty vazeb, indukční účinky způsobené všemi vysoce elektronegativními atomy atd. Díky tomu získáte ty barevné a vizuálně přitažlivé povrchy.

Srovnání barev

Zdroj: Wikimedia Commons

Nahoře je mapa elektrostatického potenciálu pro molekulu benzenu. Všimněte si, že ve středu kruhu je vyšší hustota elektronů, zatímco jeho „špičky“ jsou namodralé barvy díky méně elektronegativním atomům vodíku. Podobně je toto rozdělení nábojů způsobeno aromatickým charakterem benzenu.

Na této mapě jsou také pozorovány zelené a žluté barvy, což ukazuje na přiblížení oblastí chudých a bohatých na elektrony.

Tyto barvy mají svou vlastní stupnici, odlišnou od barvy S-karnitinu; a proto není správné srovnávat skupinu -CO ₂ ^- a střed aromatického kruhu, které jsou na mapách červeně znázorněny.

Pokud by si oba zachovali stejnou barevnou stupnici, bylo by vidět, že červená barva na mapě benzenu změní barvu na slabě oranžovou. Podle této standardizace lze porovnat mapy elektrostatického potenciálu, a tedy elektronové hustoty různých molekul.

V opačném případě by mapa sloužila pouze k poznání rozdělení náboje pro jednotlivé molekuly.

Chemická reaktivita

Pozorováním mapy elektrostatického potenciálu, a tedy oblastí s vysokou a nízkou hustotou elektronů, lze předpovědět (i když ne ve všech případech), kde se v molekulární struktuře vyskytnou chemické reakce.

Regiony s vysokou hustotou elektronů jsou schopné „poskytovat“ své elektrony okolním druhům, které je potřebují nebo potřebují; Tyto negativně nabité druhy, E ⁺, jsou známé jako elektrofily.

Proto může reagovat s elektrofily skupin reprezentovaných červená barva (-CO ₂ ^{- skupiny} a středu benzenového kruhu).

Zatímco regiony s nízkou hustotou elektronů reagují s negativně nabitými druhy nebo s regiony, které mají volné páry elektronů ke sdílení; ty druhé jsou známé jako nukleofily.

V případě, že skupina -N (CH ₃) ₃ ^{+ skupině}, bude reagovat takovým způsobem, že atom dusíku zisky elektrony (je zmenšený).

Elektronová hustota v atomu

V atomu se elektrony pohybují obrovskými rychlostmi a mohou být v několika oblastech vesmíru současně.

Avšak jak se vzdálenost od jádra zvětšuje, elektrony získávají elektronickou potenciální energii a jejich pravděpodobnostní distribuce klesá.

To znamená, že elektronické mraky atomu nemají definovanou hranici, ale rozmazanou. Proto není snadné vypočítat atomový poloměr; pokud neexistují sousedé, kteří zjistí rozdíl ve vzdálenosti svých jader, z nichž polovinu lze považovat za atomový poloměr (r = d / 2).

Atomové orbitaly a jejich radiální a úhlové vlnové funkce ukazují, jak se hustota elektronů mění v závislosti na vzdálenosti od jádra.

Reference

1. Reed College. (sf). Co je hustota elektronů? ROCO. Obnoveno od: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Elektronová hustota. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11. června 2014). Definice hustoty elektronů. Obnoveno z: thinkco.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Ilustrovaný glosář organické chemie: elektronová hustota. Obnoveno z: chem.ucla.edu
5. Chemistry LibreTexts. (29. listopadu 2018). Atomové velikosti a distribuce hustoty elektronů. Obnoveno z: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10 ^th edition.). Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.