צפיפות האלקטרונים היא מדד של מידת סבירות כדי למצוא את האלקטרון באזור מסוים של מרחב; או סביב גרעין אטומי, או ב"שכונות "בתוך מבנים מולקולריים.
ככל שריכוז האלקטרונים בנקודה מסוימת גבוה יותר, כך צפיפות האלקטרונים גבוהה יותר ולכן היא תבדיל מסביבתו ותציג מאפיינים מסוימים המסבירים את התגובה הכימית. דרך גרפית מצוינת לייצג מושג כזה היא באמצעות מפת הפוטנציאל האלקטרוסטטי.
מקור: מנואל אלמגרו ריבס דרך ויקיפדיה
לדוגמה, התמונה העליונה מציגה את המבנה של אננטיומר S-קרניטין עם מפת הפוטנציאל האלקטרוסטטי המקביל לו. ניתן לראות סולם המורכב מצבעי הקשת: אדום כדי לציין את האזור בעל צפיפות האלקטרונים הגבוהה ביותר, וכחול לאזור שהוא דל אלקטרונים.
כמו המולקולה חוצה משמאל לימין, אנו להתרחק -CO 2 - הקבוצה לקראת CH 2 -CHOH-CH 2 השלד , שבו הצבעים הם צהובים וירוקים, מה שמעיד על ירידה בצפיפות אלקטרונים; עד לקבוצה -N (CH 3 ) 3 + , האזור העניים באלקטרונים, בצבע כחול.
באופן כללי, האזורים שבהם צפיפות האלקטרונים נמוכה (אלה בצבע צהוב וירוק) הם הפחות תגוביים במולקולה.
מוּשָׂג
יותר מכימיקלים, צפיפות האלקטרונים היא טבעית, מכיוון שאלקטרונים אינם נשארים סטטיים, אלא נודדים מצד אחד ליצירת שדות חשמליים.
והשונות של שדות אלה גורמת להבדלים בצפיפות האלקטרונים במשטחי ואן דר וואלס (כל אותם משטחים של תחומים).
מבנה ה- S-carnitine מיוצג על ידי דגם של כדורים וסורגים, אך אם זה היה על פני השטח של ואן דר וואלס, הסורגים היו נעלמים ורק מערכת כדורית עגומה (עם אותם צבעים) הייתה נצפתה.
יותר אלקטרונים הם בסביבת האטומים האלקטרוניים יותר; עם זאת, יתכן שיש יותר מאטום אלקטרונגטיבי אחד במבנה המולקולרי, ולכן קבוצות של אטומים שמפעילים גם הם אפקט אינדוקטיבי משלהם.
משמעות הדבר היא שהשדה החשמלי משתנה יותר ממה שניתן לחזות על ידי התבוננות במולקולה ממעוף הציפור; כלומר יתכן וקיטוב פחות או יותר של המטענים השליליים או של צפיפות האלקטרונים.
ניתן להסביר זאת גם באופן הבא: חלוקת המטענים הופכת להיות הומוגנית יותר.
מפה פוטנציאלית אלקטרוסטטית
לדוגמה, מכיוון שלקבוצת -OH יש אטום חמצן, היא מושכת את הצפיפות האלקטרונית של האטומים השכנים שלה; עם זאת, ב- S-carnitine הוא נותן חלק מצפיפות האלקטרונים שלו לקבוצה -CO 2 - , ובמקביל הוא משאיר את הקבוצה -N (CH 3 ) 3 + עם מחסור אלקטרוני גדול יותר.
שים לב שיכול להיות קשה מאוד להסיק כיצד השפעות אינדוקטיביות פועלות על מולקולה מורכבת, כמו חלבון.
על מנת לקבל סקירה ידנית על ההבדלים הללו בשדות החשמליים במבנה, נעשה שימוש בחישוב החישובי של מפות פוטנציאל אלקטרוסטטיות.
חישובים אלה כוללים הצבת מטען נקודתי חיובי והנעתו על פני המולקולה; כאשר יש פחות צפיפות אלקטרונים, תהיה דחיה אלקטרוסטטית, ועם דחיה גדולה יותר, הצבע הכחול יהיה עז יותר.
כאשר צפיפות האלקטרונים גבוהה יותר תהיה משיכה אלקטרוסטטית חזקה המיוצגת על ידי הצבע אדום.
החישובים לוקחים בחשבון את כל ההיבטים המבניים, את רגעי הדיפול של הקשרים, את ההשפעות האינדוקטיביות הנגרמות על ידי כל האטומים האלקטרו-נגטיביים וכו '. וכתוצאה מכך, אתה מקבל את אותם משטחים צבעוניים ומושכים חזותית.
השוואת צבע
מקור: Wikimedia Commons
למעלה נמצאת המפה הפוטנציאלית האלקטרוסטטית למולקולת בנזן. שימו לב שבמרכז הטבעת יש צפיפות אלקטרונים גבוהה יותר, ואילו ה"טיפים "שלה בצבע כחלחל, בגלל אטומי המימן האלקטרוניים-פחות. באופן דומה, התפלגות מטענים זו נובעת מאופיו הארומטי של בנזן.
במפה זו נצפים גם הצבעים ירוק וצהוב, מה שמצביע על הקירובים לאזורים עניים ועשירים באלקטרונים.
לצבעים אלה יש סולם משלהם, שונה מזה של S- קרניטין; ולכן לא נכון להשוות בין הקבוצה -CO 2 - לבין מרכז הטבעת הארומטית, שתיהן מיוצגות על ידי הצבע אדום במפותיהם.
אם שניהם שמרו על סולם הצבעים זהה, נראה שהצבע האדום במפת הבנזן הופך לכתום קלוש. תחת תקינה זו ניתן להשוות בין מפות הפוטנציאל האלקטרוסטטי, ולכן צפיפות האלקטרונים של מולקולות שונות.
אחרת, המפה תשמש רק להכרת חלוקות המטען של מולקולה בודדת.
תגובתיות כימית
על ידי התבוננות במפה של פוטנציאל אלקטרוסטטי, ולכן אזורים עם צפיפות אלקטרונים גבוהה ונמוכה, ניתן לחזות אותה (אם כי לא בכל המקרים) שבהם יתקיימו תגובות כימיות במבנה המולקולרי.
אזורים עם צפיפות אלקטרונים גבוהה מסוגלים "לספק" את האלקטרונים שלהם למינים הסובבים אותם זקוקים או זקוקים להם; המינים הטעונים לשלילה, E + , ידועים כאלקטרופילים.
לכן האלקטרופילים יכולים להגיב עם הקבוצות המיוצגות על ידי הצבע האדום (הקבוצה -CO 2 - ומרכז טבעת הבנזן).
בעוד אזורים עם צפיפות אלקטרונים נמוכה, הגיבו עם מינים טעונים באופן שלילי, או עם אזורים שיש להם זוגות אלקטרונים חופשיים לחלוק; האחרונים ידועים כנוקלאופילים.
במקרה של -N (CH 3 ) 3 + הקבוצה , הוא יגיב בצורה כזאת כי האלקטרונים רווחי אטום חנקן (מצטמצם).
צפיפות אלקטרונים באטום
באטום האלקטרונים נעים במהירות עצומה ויכולים להיות בכמה אזורים בחלל בו זמנית.
עם זאת, ככל שהמרחק מהגרעין גדל, האלקטרונים רוכשים אנרגיה פוטנציאלית אלקטרונית והתפוצה ההסתברותית שלהם פוחתת.
המשמעות היא שלעננים האלקטרוניים של אטום אין גבול מוגדר, אלא מטושטש. לכן לא קל לחשב את רדיוס האטום; אלא אם כן יש שכנים שמבססים הבדל בין מרחקי הגרעין שלהם, אשר מחציתם יכולים להילקח כרדיוס האטומי (r = d / 2).
אורביטלים אטומיים ופונקציות הגל הרדיאלי והזוויתי שלהם מדגימים כיצד צפיפות האלקטרונים משתנה כפונקציה של המרחק מהגרעין.
הפניות
- מכללת ריד. (sf). מהי צפיפות אלקטרונים? רוקו. התאושש מ: reed.edu
- ויקיפדיה. (2018). צפיפות אלקטרונים. התאושש מ: en.wikipedia.org
- הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (11 ביוני 2014). הגדרת צפיפות אלקטרונים. התאושש מ: thoughtco.com
- סטיבן א. הרדינגר. (2017). מילון מונחים מאויר של כימיה אורגנית: צפיפות אלקטרונים. התאושש מ: chem.ucla.edu
- כימיה LibreTexts. (29 בנובמבר 2018). גדלים אטומיים והפצות צפיפות אלקטרונים. התאושש מ: chem.libretexts.org
- גרהם סולומונס TW, קרייג ב. פרלה. (2011). כימיה אורגנית. אמינים. (10 th Edition.). וויילי פלוס.
- קארי פ '(2008). כימיה אורגנית. (המהדורה השישית). מק גריי היל.