Plik gęstość elektronów jest miarą prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w danym obszarze przestrzeni; albo wokół jądra atomowego, albo w „sąsiedztwie” struktur molekularnych.
Im większe stężenie elektronów w danym punkcie, tym większa gęstość elektronów, a zatem będzie on odróżniał się od otoczenia i będzie wykazywał pewne cechy wyjaśniające reaktywność chemiczną. Doskonałym i graficznym sposobem przedstawienia takiej koncepcji jest użycie mapa potencjału elektrostatycznego.
Na przykład górny obraz przedstawia strukturę enancjomeru S-karnityny wraz z odpowiadającą mu mapą potencjału elektrostatycznego. Można zaobserwować skalę składającą się z kolorów tęczy: czerwony, aby wskazać region o największej gęstości elektronów, i niebieski dla regionu, który jest ubogi w elektrony..
W miarę przechodzenia cząsteczki od lewej do prawej oddalamy się od grupy -COdwa- w kierunku szkieletu CHdwa-CHOH-CHdwa, gdzie kolory są żółte i zielone, co wskazuje na spadek gęstości elektronów; do grupy -N (CH3)3+, najbiedniejszy region elektronów, oznaczony kolorem niebieskim.
Ogólnie rzecz biorąc, regiony, w których gęstość elektronów jest niska (te zabarwione na żółto i zielono) są najmniej reaktywne w cząsteczce..
Indeks artykułów
Gęstość elektronów ma charakter bardziej niż chemiczna, ponieważ elektrony nie pozostają statyczne, ale przemieszczają się z jednej strony na drugą, tworząc pola elektryczne..
A zmienność tych pól powoduje różnice w gęstościach elektronów na powierzchniach van der Waalsa (wszystkie te powierzchnie sfer).
Strukturę S-karnityny reprezentuje model sfer i słupków, ale gdyby była to powierzchnia van der Waalsa, słupki zniknęłyby i zaobserwowano by tylko zbrylony zestaw kul (o tych samych kolorach).
Elektrony z większym prawdopodobieństwem będą znajdować się wokół atomów bardziej elektroujemnych; jednak w strukturze molekularnej może znajdować się więcej niż jeden atom ujemny, a zatem grupy atomów, które również wywierają swój własny efekt indukcyjny.
Oznacza to, że pole elektryczne zmienia się bardziej, niż można przewidzieć, obserwując cząsteczkę z lotu ptaka; to znaczy, może występować większa lub mniejsza polaryzacja ładunków ujemnych lub gęstość elektronów.
Można to również wyjaśnić w następujący sposób: rozkład obciążenia staje się bardziej jednorodny.
Na przykład, ponieważ grupa -OH ma atom tlenu, przyciąga gęstość elektronową sąsiednich atomów; jednak w S-karnitynie oddaje część swojej gęstości elektronowej grupie -COdwa-, jednocześnie opuszczając grupę -N (CH3)3+ z większym niedoborem elektroniki.
Zauważ, że może być bardzo trudno wywnioskować, jak działają efekty indukcyjne w złożonej cząsteczce, takiej jak białko..
Aby mieć przegląd takich różnic w polach elektrycznych w konstrukcji, zastosowano obliczenia obliczeniowe map potencjału elektrostatycznego..
Obliczenia te polegają na umieszczeniu dodatniego ładunku punktowego i przesunięciu go po powierzchni cząsteczki; tam, gdzie jest mniejsza gęstość elektronów, nastąpi odpychanie elektrostatyczne, a im wyższe odpychanie, tym intensywniejszy będzie niebieski kolor.
Tam, gdzie gęstość elektronów jest wyższa, występuje silne przyciąganie elektrostatyczne, reprezentowane przez kolor czerwony.
Obliczenia uwzględniają wszystkie aspekty strukturalne, momenty dipolowe wiązań, efekty indukcyjne wywołane przez wszystkie silnie elektroujemne atomy itp. W rezultacie otrzymujesz te kolorowe i atrakcyjne wizualnie powierzchnie..
Powyżej znajduje się mapa potencjału elektrostatycznego dla cząsteczki benzenu. Zauważ, że w środku pierścienia występuje większa gęstość elektronów, podczas gdy jego „końcówki” mają kolor niebieskawy z powodu mniej elektroujemnych atomów wodoru. Podobnie, ten rozkład ładunków wynika z aromatycznego charakteru benzenu.
Na tej mapie obserwuje się również kolory zielony i żółty, co wskazuje na przybliżenie regionów ubogich i bogatych w elektrony..
Te kolory mają swoją własną skalę, inną niż w przypadku S-karnityny; i dlatego błędem jest porównywanie grupy -COdwa- i środek pierścienia aromatycznego, oba reprezentowane przez kolor czerwony na ich mapach.
Gdyby obaj zachowali tę samą skalę kolorów, czerwony kolor na mapie benzenu zmieniłby się na bladopomarańczowy. W ramach tej standaryzacji można porównać mapy potencjału elektrostatycznego, a tym samym gęstości elektronów różnych cząsteczek..
W przeciwnym razie mapa służyłaby tylko do poznania rozkładów ładunków dla pojedynczej cząsteczki..
Obserwując mapę potencjału elektrostatycznego, a tym samym obszary o wysokich i niskich gęstościach elektronów, można przewidzieć (choć nie we wszystkich przypadkach), w których w strukturze molekularnej zajdą reakcje chemiczne..
Regiony o dużej gęstości elektronowej są w stanie „dostarczać” swoje elektrony otaczającym gatunkom, które ich potrzebują lub potrzebują; do tych gatunków, naładowane ujemnie, E.+, są znani jako elektrofile.
Dlatego elektrofile mogą reagować z grupami reprezentowanymi przez kolor czerwony (-COdwa- i środek pierścienia benzenowego).
Podczas gdy regiony o niskiej gęstości elektronów reagują z gatunkami naładowanymi ujemnie lub z tymi, które mają wolne pary elektronów do dzielenia; te ostatnie znane są jako nukleofile.
W przypadku -N (CH3)3+, zareaguje w taki sposób, że atom azotu zyska elektrony (zmniejszy).
W atomie elektrony poruszają się z ogromną prędkością i mogą znajdować się w kilku obszarach przestrzeni w tym samym czasie.
Jednak wraz ze wzrostem odległości od jądra elektrony nabywają elektronową energię potencjalną, a ich probabilistyczny rozkład maleje..
Oznacza to, że elektroniczne chmury atomu nie mają określonej granicy, ale są rozmyte. Dlatego nie jest łatwo obliczyć promień atomowy; Chyba że sąsiedzi, którzy ustalą różnicę w odległościach ich jąder, z których połowę można przyjąć jako promień atomowy (r = d / 2).
Orbitale atomowe oraz ich funkcje fal radialnych i kątowych pokazują, jak zmienia się gęstość elektronów w funkcji odległości, która dzieli je od jądra..
Jeszcze bez komentarzy