- concepte
- Mapa de potencial electrostàtic
- Comparació de colors
- reactivitat química
- Densitat electrònica en l'àtom
- referències
La densitat electrònica és una mesura de què tan probable és trobar a l'electró en una regió determinada de l'espai; bé sigui entorn a un nucli atòmic, o en els "veïnats" dins de les estructures moleculars.
A major concentració d'electrons en un punt donat, més gran serà la densitat electrònica, i per tant, es distingirà dels seus voltants i exhibirà certes característiques que expliquen la reactivitat química. Una manera gràfica i excel·lent de representar aquest concepte, és a través de mapa de potencial electrostàtic.
Font: Manuel Almagro Rivas via Wikipedia
Per exemple, a la imatge superior es mostra l'estructura de l'enantiòmer S-carnitina amb el seu corresponent mapa de potencial electrostàtic. Es pot observar una escala composta pels colors de l'arc de sant Martí: vermell per indicar la regió de major densitat electrònica, i blau per a aquella regió pobra en electrons.
A mesura que es recorre la molècula d'esquerra a dreta, ens allunyem de el grup -CO 2 - cap al esquelet CH 2 -CHOH-CH 2, on els colors són groc i verd, assenyalant una disminució de la densitat electrònica; fins al grup -N (CH 3) 3 +, la regió més pobra d'electrons, de color blau.
Generalment, les regions on la densitat electrònica és baixa (les de colors groc i verd) són les menys reactives en una molècula.
concepte
Més que química, la densitat electrònica és de naturalesa física, pel fet que els electrons no romanen estàtics, sinó que viatgen d'un costat a un altre creant camps elèctrics.
I la variació d'aquests camps origina les diferències en les densitats electròniques en les superfícies de van der Waals (totes aquelles superfícies d'esferes).
L'estructura de la S-carnitina ve representada per un model d'esferes i barres, però si ho fos per la seva superfície de van der Waals, desapareixerien les barres i s'observaria només un conjunt endurit d'esferes (amb els mateixos colors).
Els electrons rondaran amb més probabilitat per les rodalies dels àtoms més electronegatius; però, pot haver-hi més d'un àtom electronegatiu en l'estructura molecular, i per tant, grups d'àtoms que també exerceixen el seu propi efecte inductiu.
Això significa que el camp elèctric varia més del que es pot preveure observant una molècula a vol d'ocell; és a dir, pot haver-hi més o menys polarització de les càrregues negatives o de la densitat electrònica.
Això també pot explicar de la següent manera: la distribució de les càrregues es torna més homogènia.
Mapa de potencial electrostàtic
Per exemple, el grup -OH per tenir un àtom d'oxigen atreu la densitat electrònica dels seus àtoms veïns; però, a la S-carnitina cedeix part de la seva densitat electrònica a el grup -CO 2 -, mentre que a el mateix temps deixa a el grup -N (CH 3) 3 + amb major deficiència electrònica.
Cal notar que pot resultar molt complicat inferir com obren els efectes inductius en una molècula complexa, com una proteïna.
Per poder tenir un panorama a la mà d'aquestes diferències en els camps elèctrics en l'estructura, es recorre a el càlcul computacional dels mapes de potencial electrostàtic.
Aquests càlculs consisteixen a col·locar una càrrega puntual positiva i desplaçar-la al llarg de la superfície de la molècula; on hi hagi menor densitat electrònica, hi haurà repulsió electrostàtica, ja gran repulsió, més intens serà el color blau.
On la densitat electrònica sigui major, hi haurà una forta atracció electrostàtica, representada pel color vermell.
Els càlculs tenen en compte tots els aspectes estructurals, els moments dipolars dels enllaços, els efectes inductius causats per tots els àtoms altament electronegatius, etc. I com a resultat, s'obtenen aquestes superfícies acolorides i d'un atractiu visual.
Comparació de colors
Font: Wikimedia Commons
A dalt es mostra el mapa de potencial electrostàtic per a una molècula de benzè. Cal observar que en el centre de l'anell hi ha major densitat electrònica, mentre que els seus "puntes" són d'un color blavós, pels àtoms d'hidrogen menys electronegatiu. Així mateix, aquesta distribució de les càrregues es deu a el caràcter aromàtic de l'benzè.
En aquest mapa s'observen també els colors verd i groc, amb indicació de les aproximacions a les regions pobres i riques en electrons.
Aquests colors tenen la seva pròpia escala, diferent a el de la S-carnitina; i per tant, resulta incorrecte comparar a el grup -CO 2 - i el centre de l'anell aromàtic, tots dos representats pel color vermell en els seus mapes.
Si tots dos mantinguessin la mateixa escala de colors, es veuria que el color vermell en el mapa de l'benzè es tornés d'un tènue ataronjat. Sota aquesta estandardització, pot comparar-se els mapes de potencial electrostàtics, i per tant, les densitats electròniques de diverses molècules.
Si no és així, el mapa serviria únicament per conèixer les distribucions de càrrega per a una molècula individual.
reactivitat química
Observant un mapa de potencial electrostàtic, i per tant, les regions amb altes i baixes densitats electròniques, es pot predir (encara que no en tots els casos) on tindran lloc les reaccions químiques en l'estructura molecular.
Les regions amb alta densitat electrònica són capaços de "brindar" els seus electrons a espècies circumdants demandants o necessitades d'ells; a aquestes espècies, de càrrega negativa, E +, se'ls coneix com electròfils.
Per tant, els electròfils poden reaccionar amb els grups representats pel color vermell (el grup -CO 2 - i el centre de l'anell benzènic).
Mentre que les regions amb baixa densitat electrònica, reaccionen amb espècies carregades negativament, o amb aquelles que compten amb parells lliures d'electrons per compartir; aquestes últimes es coneixen com nucleòfils.
En el cas de el grup -N (CH 3) 3 +, aquest reaccionarà de manera que l'àtom de nitrogen guanyi electrons (es redueixi).
Densitat electrònica en l'àtom
En l'àtom els electrons es mouen a enormes velocitats i poden estar en diverses regions de l'espai a el mateix temps.
No obstant això, a mesura que augmenta la distància de el nucli, els electrons adquireixen energia potencial electrònica i la distribució probabilística dels mateixos disminueix.
Això vol dir que els núvols electròniques d'un àtom no tenen una frontera definida, sinó difuminada. Per tant, no és fàcil calcular el radi atòmic; llevat, que hi hagi veïns que estableixin una diferència en les distàncies dels seus nuclis, la meitat es pot prendre com a radi atòmic (r = d / 2).
Els orbitals atòmics, i les seves funcions d'ones radials i angulars, demostren com la densitat electrònica es modifica en funció de la distància que els separa de l'nucli.
referències
- Reed College. (Sf). Què és el electron density? ROCO. Recuperat de: reed.edu
- Wikipedia. (2018). Electron density. Recuperat de: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 de juny de 2014). Electron Density Definition. Recuperat de: thoughtco.com
- Steven A. Hardinger. (2017). Illustrated Glossary of Organic Chemistry: Electron density. Recuperat de: chem.ucla.edu
- Chemistry LibreTexts. (29 de novembre del 2018). Atomic Sizes and Electron Density Distributions. Recuperat de: chem.libretexts.org
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10 th edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.