APAKAH KETUMPATAN ELEKTRON? - KIMIA - 2024

The ketumpatan elektron adalah ukuran bagaimana mungkin ia adalah untuk mencari elektron di rantau tertentu ruang; sama ada di sekitar nukleus atom, atau di "kawasan kejiranan" dalam struktur molekul.

Semakin tinggi kepekatan elektron pada titik tertentu, semakin tinggi ketumpatan elektron, dan oleh itu, ia akan dibezakan dari persekitarannya dan akan menunjukkan ciri-ciri tertentu yang menjelaskan kereaktifan kimia. Kaedah grafik yang sangat baik untuk mewakili konsep tersebut adalah melalui peta potensi elektrostatik.

Sumber: Manuel Almagro Rivas melalui Wikipedia

Sebagai contoh, gambar atas menunjukkan struktur enantiomer S-carnitine dengan peta potensi elektrostatik yang sesuai. Skala yang terdiri daripada warna pelangi dapat diperhatikan: merah untuk menunjukkan kawasan dengan ketumpatan elektron tertinggi, dan biru untuk wilayah yang kekurangan elektron.

Oleh kerana molekul melintasi dari kiri ke kanan, kita bergerak dari kumpulan -CO ₂ ^- menuju kerangka CH ₂ -CHOH-CH ₂ , di mana warnanya berwarna kuning dan hijau, menunjukkan penurunan kepadatan elektron; hingga kumpulan -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , kawasan yang paling miskin elektron, berwarna biru.

Secara amnya, kawasan di mana ketumpatan elektron rendah (berwarna kuning dan hijau) paling tidak reaktif dalam molekul.

Konsep

Lebih dari sekadar bahan kimia, ketumpatan elektron bersifat fizikal, kerana elektron tidak tetap statik, tetapi bergerak dari satu sisi ke sisi lain mewujudkan medan elektrik.

Dan variasi medan ini menyebabkan perbezaan ketumpatan elektron di permukaan van der Waals (semua permukaan sfera).

Struktur S-carnitine diwakili oleh model sfera dan palang, tetapi jika berada di permukaan van der Waals, bar akan hilang dan hanya satu set sfera (dengan warna yang sama) yang diperhatikan.

Elektron lebih cenderung berada di sekitar atom yang lebih elektronegatif; bagaimanapun, mungkin terdapat lebih daripada satu atom elektronegatif dalam struktur molekul, dan oleh itu kumpulan atom yang juga memberikan kesan induktif mereka sendiri.

Ini bermaksud bahawa medan elektrik berbeza lebih banyak daripada yang dapat diramalkan dengan memerhatikan molekul dari pandangan mata burung; iaitu, terdapat lebih kurang polarisasi cas negatif atau ketumpatan elektron.

Ini juga dapat dijelaskan dengan cara berikut: pengagihan caj menjadi lebih homogen.

Peta potensi elektrostatik

Sebagai contoh, kerana kumpulan -OH mempunyai atom oksigen, ia menarik ketumpatan elektronik atom jirannya; namun, dalam S-carnitine ia memberikan sebahagian ketumpatan elektronnya kepada kumpulan -CO ₂ ^- , sementara pada masa yang sama ia meninggalkan kumpulan -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ dengan kekurangan elektronik yang lebih besar.

Perhatikan bahawa sangat sukar untuk menyimpulkan bagaimana kesan induktif berfungsi pada molekul kompleks, seperti protein.

Untuk mendapatkan gambaran langsung mengenai perbezaan seperti itu dalam medan elektrik dalam struktur, pengiraan komputasi peta potensi elektrostatik digunakan.

Pengiraan ini terdiri daripada meletakkan cas titik positif dan menggerakkannya di sepanjang permukaan molekul; di mana ketumpatan elektron kurang, akan ada tolakan elektrostatik, dan dengan tolakan yang lebih besar, warna biru akan lebih kuat.

Di mana ketumpatan elektron lebih tinggi, akan ada daya tarikan elektrostatik yang kuat, yang diwakili oleh warna merah.

Pengiraan mengambil kira semua aspek struktur, momen dipol ikatan, kesan induktif yang disebabkan oleh semua atom yang sangat elektronegatif, dll. Hasilnya, anda memperoleh permukaan yang berwarna dan menarik secara visual.

Perbandingan warna

Sumber: Wikimedia Commons

Di atas adalah peta potensi elektrostatik untuk molekul benzena. Perhatikan bahawa di tengah gelang terdapat kepadatan elektron yang lebih tinggi, sementara "hujungnya" berwarna kebiruan, kerana atom hidrogen yang kurang elektronegatif. Begitu juga, pengagihan caj ini disebabkan oleh sifat benzena yang aromatik.

Dalam peta ini, warna hijau dan kuning juga diperhatikan, menunjukkan perkiraan ke daerah miskin dan kaya dengan elektron.

Warna-warna ini mempunyai skala tersendiri, berbeza dengan warna S-carnitine; dan oleh itu, adalah tidak betul untuk membandingkan kumpulan -CO ₂ ^- dan pusat cincin aromatik, keduanya diwakili oleh warna merah pada peta mereka.

Sekiranya keduanya memiliki skala warna yang sama, warna merah pada peta benzena akan kelihatan berubah menjadi oren samar. Di bawah standardisasi ini, peta potensi elektrostatik, dan oleh itu ketumpatan elektron dari pelbagai molekul, dapat dibandingkan.

Jika tidak, peta hanya berfungsi untuk mengetahui taburan caj bagi setiap molekul.

Kereaktifan kimia

Dengan memerhatikan peta potensi elektrostatik, dan oleh itu kawasan dengan ketumpatan elektron tinggi dan rendah, dapat diramalkan (walaupun tidak dalam semua kes) di mana reaksi kimia akan berlaku pada struktur molekul.

Kawasan dengan ketumpatan elektron yang tinggi mampu "menyediakan" elektronnya kepada spesies sekitar yang memerlukan atau memerlukannya; Spesies bermuatan negatif ini, E ⁺ , dikenali sebagai elektrofil.

Oleh itu, elektrofil dapat bertindak balas dengan kumpulan yang diwakili oleh warna merah (kumpulan -CO ₂ ^- dan pusat gelang benzena).

Sementara kawasan dengan ketumpatan elektron rendah, bertindak balas dengan spesies bermuatan negatif, atau dengan kawasan yang mempunyai pasangan elektron bebas untuk dikongsi; yang terakhir dikenali sebagai nukleofil.

Bagi kumpulan -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , ia akan bertindak balas sedemikian rupa sehingga atom nitrogen memperoleh elektron (dikurangkan).

Ketumpatan elektron dalam atom

Di dalam atom, elektron bergerak dengan kelajuan yang sangat besar dan dapat berada di beberapa kawasan ruang pada masa yang sama.

Namun, apabila jarak dari nukleus meningkat, elektron memperoleh tenaga potensi elektronik dan taburan probabilistiknya berkurang.

Ini bermaksud bahawa awan elektronik atom tidak mempunyai sempadan yang ditentukan, tetapi kabur. Oleh itu, tidak mudah untuk mengira jejari atom; kecuali jika ada jiran yang menentukan perbezaan jarak inti mereka, separuh daripadanya dapat diambil sebagai radius atom (r = d / 2).

Orbital atom, dan fungsi gelombang radial dan sudut mereka, menunjukkan bagaimana ketumpatan elektron berubah sebagai fungsi jarak dari nukleus.

Rujukan

1. Kolej Reed. (sf). Apakah ketumpatan elektron? ROCO. Dipulihkan dari: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Ketumpatan elektron. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 Jun 2014). Definisi Ketumpatan Elektron. Dipulihkan dari: thinkco.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Glosari Ilmu Kimia Organik: Ketumpatan elektron. Dipulihkan dari: chem.ucla.edu
5. LibreTexts Kimia. (29 November 2018). Ukuran Atom dan Taburan Ketumpatan Elektron. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Kimia organik. Amines. ( Edisi ^ke- 10 .) Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Kimia organik. (Edisi keenam). Bukit Mc Graw.