في كثافة الإلكترونات هي مقياس لمدى احتمال هو أن تجد الإلكترون في منطقة معينة من الفضاء؛ إما حول نواة ذرية ، أو في "الأحياء" داخل الهياكل الجزيئية.
كلما زاد تركيز الإلكترونات في نقطة معينة ، زادت كثافة الإلكترون ، وبالتالي ، سيتم تمييزها عن محيطها وستظهر بعض الخصائص التي تفسر التفاعل الكيميائي. طريقة رسومية ممتازة لتمثيل مثل هذا المفهوم من خلال خريطة الجهد الكهروستاتيكي.
المصدر: مانويل ألماجرو ريفاس عبر ويكيبيديا
على سبيل المثال ، تُظهر الصورة العلوية هيكل S-carnitine enantiomer مع خريطة الجهد الكهروستاتيكي المقابلة لها. يمكن ملاحظة مقياس يتكون من ألوان قوس قزح: الأحمر للإشارة إلى المنطقة ذات الكثافة الإلكترونية الأعلى والأزرق لتلك المنطقة الفقيرة في الإلكترونات.
عندما يتم اجتياز الجزيء من اليسار إلى اليمين ، فإننا نبتعد عن المجموعة -CO 2 - باتجاه الهيكل العظمي CH 2 -CHOH-CH 2 ، حيث تكون الألوان صفراء وخضراء ، مما يشير إلى انخفاض في كثافة الإلكترون ؛ حتى المجموعة -N (CH 3) 3 + ، المنطقة الأكثر فقرًا إلكترونًا ، ملونة باللون الأزرق
بشكل عام ، المناطق التي تكون فيها كثافة الإلكترون منخفضة (تلك الملونة باللونين الأصفر والأخضر) هي الأقل تفاعلًا في الجزيء.
مفهوم
تعتبر كثافة الإلكترون أكثر من كيميائية ، فهي فيزيائية بطبيعتها ، لأن الإلكترونات لا تبقى ثابتة ، ولكنها تنتقل من جانب إلى آخر لتخلق مجالات كهربائية.
ويؤدي الاختلاف في هذه الحقول إلى اختلافات في كثافة الإلكترون في أسطح فان دير فال (كل تلك الأسطح من المجالات).
يتم تمثيل بنية S-carnitine بنموذج من الكرات والقضبان ، ولكن إذا كان من خلال سطح van der Waals الخاص به ، فستختفي القضبان وستلاحظ فقط مجموعة من الكرات المتكتلة (بنفس الألوان).
من المرجح أن تكون الإلكترونات حول الذرات الأكثر كهرسلبية ؛ ومع ذلك ، قد يكون هناك أكثر من ذرة كهربية واحدة في التركيب الجزيئي ، وبالتالي مجموعات الذرات التي تمارس أيضًا تأثيرها الاستقرائي.
هذا يعني أن المجال الكهربائي يختلف أكثر مما يمكن توقعه من خلال مراقبة الجزيء من وجهة نظر عين الطائر ؛ أي أنه قد يكون هناك استقطاب أكثر أو أقل للشحنات السالبة أو كثافة الإلكترون.
يمكن تفسير ذلك أيضًا بالطريقة التالية: يصبح توزيع الرسوم أكثر تجانساً.
خريطة الجهد الكهروستاتيكي
على سبيل المثال ، نظرًا لأن المجموعة -OH تحتوي على ذرة أكسجين ، فإنها تجذب الكثافة الإلكترونية للذرات المجاورة لها ؛ ومع ذلك، في S-كارنيتين أنه يعطي جزءا من كثافة الإلكترونات تجاه -co 2 - مجموعة ، بينما في الوقت نفسه يترك -N (CH 3) 3 + مجموعة مع نقص الإلكترونية أكبر.
لاحظ أنه قد يكون من الصعب جدًا استنتاج كيفية عمل التأثيرات الاستقرائية على جزيء معقد ، مثل البروتين.
من أجل الحصول على نظرة عامة في متناول اليد على هذه الاختلافات في المجالات الكهربائية في الهيكل ، يتم استخدام الحساب الحسابي لخرائط الجهد الكهروستاتيكي.
تتكون هذه الحسابات من وضع شحنة نقطية موجبة وتحريكها على طول سطح الجزيء ؛ عندما تكون كثافة الإلكترون أقل ، سيكون هناك تنافر إلكتروستاتيكي ، ومع التنافر الأكبر ، سيكون اللون الأزرق أكثر كثافة.
عندما تكون كثافة الإلكترون أعلى ، سيكون هناك جاذبية إلكتروستاتيكية قوية ، ممثلة باللون الأحمر.
تأخذ الحسابات في الاعتبار جميع الجوانب الهيكلية ، ولحظات ثنائية القطب للروابط ، والتأثيرات الاستقرائية التي تسببها جميع الذرات عالية الكهرسلبية ، إلخ. ونتيجة لذلك ، تحصل على تلك الأسطح الملونة والجذابة.
مقارنة الألوان
المصدر: ويكيميديا كومنز
أعلاه هي خريطة الجهد الكهروستاتيكي لجزيء البنزين. لاحظ أنه في وسط الحلقة توجد كثافة إلكترون أعلى ، في حين أن "أطرافها" مزرقة اللون ، بسبب قلة ذرات الهيدروجين الكهربية. وبالمثل ، فإن توزيع الشحنات هذا يرجع إلى الطابع العطري للبنزين.
في هذه الخريطة ، لوحظ أيضًا اللونان الأخضر والأصفر ، مما يشير إلى التقريب للمناطق الفقيرة والغنية بالإلكترونات.
هذه الألوان لها مقياسها الخاص ، يختلف عن مقياس S-carnitine ؛ وبالتالي ، فمن غير الصحيح مقارنة المجموعة -CO 2 - ومركز الحلقة العطرية ، وكلاهما يمثله اللون الأحمر في خرائطهما.
إذا احتفظ كلاهما بنفس مقياس اللون ، فسيظهر اللون الأحمر على خريطة البنزين ليتحول إلى اللون البرتقالي الباهت. في ظل هذا التوحيد القياسي ، يمكن مقارنة خرائط الجهد الكهروستاتيكي ، وبالتالي كثافة الإلكترون للجزيئات المختلفة.
خلاف ذلك ، فإن الخريطة ستعمل فقط على معرفة توزيعات الشحنة لجزيء فردي.
تفاعل كيميائي
من خلال مراقبة خريطة الإمكانات الكهروستاتيكية ، وبالتالي المناطق ذات الكثافة الإلكترونية العالية والمنخفضة ، يمكن التنبؤ (وإن لم يكن في جميع الحالات) حيث تحدث التفاعلات الكيميائية في التركيب الجزيئي.
المناطق ذات الكثافة الإلكترونية العالية قادرة على "توفير" إلكتروناتها للأنواع المحيطة التي تحتاج إليها أو تحتاج إليها ؛ تُعرف هذه الأنواع سالبة الشحنة ، E + ، بالكهرباء.
لذلك ، يمكن أن تتفاعل المركبات الكهربائية مع المجموعات التي يمثلها اللون الأحمر (مجموعة -CO 2 - ومركز حلقة البنزين).
بينما تتفاعل المناطق ذات الكثافة الإلكترونية المنخفضة مع الأنواع سالبة الشحنة ، أو مع تلك التي لديها أزواج حرة من الإلكترونات للمشاركة ؛ يُعرف الأخير باسم nucleophiles.
في حالة المجموعة -N (CH 3) 3 + ، سوف تتفاعل بطريقة تجعل ذرة النيتروجين تكتسب إلكترونات (يتم تقليلها).
كثافة الإلكترون في الذرة
تتحرك الإلكترونات في الذرة بسرعات هائلة ويمكن أن تتواجد في عدة مناطق من الفضاء في نفس الوقت.
ومع ذلك ، مع زيادة المسافة من النواة ، تكتسب الإلكترونات طاقة وضع إلكترونية ويقل توزيعها الاحتمالي.
هذا يعني أن السحب الإلكترونية للذرة ليس لها حدود محددة ، ولكنها غير واضحة. لذلك ، ليس من السهل حساب نصف القطر الذري ؛ ما لم يكن هناك جيران يحددون اختلافًا في مسافات نواتهم ، يمكن اعتبار نصفها نصف القطر الذري (r = d / 2).
توضح المدارات الذرية ، ووظائفها الموجية الشعاعية والزاوية ، كيف تتغير كثافة الإلكترون كدالة على المسافة من النواة.
المراجع
- كلية ريد. (سادس). ما هي كثافة الإلكترون؟ روكو. تم الاسترجاع من: reed.edu
- ويكيبيديا. (2018). كثافة الإلكترونات. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
- هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (11 يونيو 2014). تعريف كثافة الإلكترون. تم الاسترجاع من: thinkco.com
- ستيفن إيه هاردينجر. (2017). مسرد مصور للكيمياء العضوية: كثافة الإلكترون. تم الاسترجاع من: chem.ucla.edu
- الكيمياء LibreTexts. (29 نوفمبر 2018). الأحجام الذرية وتوزيعات كثافة الإلكترون. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
- غراهام سولومونز تي دبليو ، كريج ب. فريهل. (2011). الكيمياء العضوية. الأمينات. (الطبعة العاشرة). وايلي بلس.
- كاري ف. (2008). الكيمياء العضوية. (الطبعة السادسة). ماك جراو هيل.