ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเป็นตัวชี้วัดของวิธีการที่มีแนวโน้มว่าจะเป็น ที่จะ พบอิเล็กตรอนในภูมิภาคโดยเฉพาะอย่างยิ่งของพื้นที่; ไม่ว่าจะอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสของอะตอมหรือใน "ละแวกใกล้เคียง" ภายในโครงสร้างโมเลกุล
ยิ่งอิเล็กตรอนมีความเข้มข้นสูง ณ จุดใดจุดหนึ่งความหนาแน่นของอิเล็กตรอนก็จะยิ่งสูงขึ้นดังนั้นจึงมีความแตกต่างจากสภาพแวดล้อมและจะแสดงลักษณะบางอย่างที่อธิบายถึงปฏิกิริยาทางเคมี วิธีกราฟิกที่ยอดเยี่ยมในการแสดงแนวคิดดังกล่าวคือผ่านแผนที่ศักย์ไฟฟ้าสถิต
ที่มา: Manuel Almagro Rivas ผ่าน Wikipedia
ตัวอย่างเช่นภาพด้านบนแสดงโครงสร้างของเอแนนทิโอเมอร์ S-carnitine พร้อมแผนที่ศักย์ไฟฟ้าสถิตที่สอดคล้องกัน สามารถสังเกตมาตราส่วนที่ประกอบด้วยสีของรุ้งได้: สีแดงเพื่อระบุบริเวณที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงสุดและเป็นสีน้ำเงินสำหรับบริเวณนั้นที่มีอิเล็กตรอนไม่ดี
ในฐานะที่เป็นโมเลกุลที่มีการสำรวจจากซ้ายไปขวาเราย้ายออกจากสหชายหญิง2 - กลุ่มต่อ CH 2 -CHOH-CH 2โครงกระดูกที่มีสีเหลืองและสีเขียวแสดงให้เห็นการลดลงของความหนาแน่นของอิเล็กตรอน; จนถึงกลุ่ม -N (CH 3 ) 3 +บริเวณที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่ดีที่สุดมีสีฟ้า
โดยทั่วไปบริเวณที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนต่ำ (สีเหลืองและเขียว) จะมีปฏิกิริยาน้อยที่สุดในโมเลกุล
แนวคิด
มากกว่าทางเคมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเป็นลักษณะทางกายภาพเนื่องจากอิเล็กตรอนไม่อยู่นิ่ง แต่เดินทางจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งเพื่อสร้างสนามไฟฟ้า
และการเปลี่ยนแปลงของฟิลด์เหล่านี้ทำให้เกิดความแตกต่างของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในพื้นผิวแวนเดอร์วาลส์ (พื้นผิวทรงกลมทั้งหมด)
โครงสร้างของ S-carnitine แสดงโดยแบบจำลองของทรงกลมและแท่ง แต่ถ้าเป็นโดยพื้นผิวของ van der Waals แท่งจะหายไปและจะสังเกตเห็นเพียงชุดทรงกลม (ที่มีสีเดียวกัน) เท่านั้น
อิเล็กตรอนมีแนวโน้มที่จะอยู่รอบ ๆ อะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่า อย่างไรก็ตามอาจมีอะตอมอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าหนึ่งอะตอมในโครงสร้างโมเลกุลดังนั้นกลุ่มของอะตอมที่มีผลอุปนัยของตัวเอง
ซึ่งหมายความว่าสนามไฟฟ้าแตกต่างกันไปมากกว่าที่จะคาดเดาได้จากการสังเกตโมเลกุลจากมุมมองตานก นั่นคืออาจมีโพลาไรเซชันของประจุลบหรือความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมากหรือน้อย
นอกจากนี้ยังสามารถอธิบายได้ด้วยวิธีต่อไปนี้: การกระจายของประจุจะกลายเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้น
แผนที่ศักย์ไฟฟ้าสถิต
ตัวอย่างเช่นเนื่องจากหมู่ -OH มีอะตอมออกซิเจนจึงดึงดูดความหนาแน่นอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมข้างเคียง อย่างไรก็ตามใน S-carnitine จะให้เป็นส่วนหนึ่งของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนไปยังสหชายหญิง2 - กลุ่มขณะที่ในเวลาเดียวกันมันใบ -N นี้ (CH 3 ) 3 + กลุ่มที่มีความบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์มากขึ้น
โปรดสังเกตว่าอาจเป็นเรื่องยากมากที่จะสรุปว่าเอฟเฟกต์อุปนัยทำงานอย่างไรกับโมเลกุลที่ซับซ้อนเช่นโปรตีน
เพื่อให้มีภาพรวมของความแตกต่างดังกล่าวในสนามไฟฟ้าในโครงสร้างจึงใช้การคำนวณเชิงคำนวณของแผนที่ศักย์ไฟฟ้าสถิต
การคำนวณเหล่านี้ประกอบด้วยการวางประจุไฟฟ้าบวกและเคลื่อนไปตามพื้นผิวของโมเลกุล เมื่อมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนน้อยจะมีการขับไล่ไฟฟ้าสถิตและเมื่อมีการขับไล่มากขึ้นสีฟ้าก็จะยิ่งเข้มขึ้นเท่านั้น
เมื่อความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงขึ้นจะมีแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตที่รุนแรงซึ่งแสดงด้วยสีแดง
การคำนวณคำนึงถึงลักษณะโครงสร้างทั้งหมดโมเมนต์ไดโพลของพันธะผลอุปนัยที่เกิดจากอะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงทั้งหมดเป็นต้น และด้วยเหตุนี้คุณจะได้พื้นผิวที่มีสีสันและดึงดูดสายตาเหล่านั้น
การเปรียบเทียบสี
ที่มา: Wikimedia Commons
ด้านบนเป็นแผนที่ศักย์ไฟฟ้าสถิตสำหรับโมเลกุลเบนซีน สังเกตว่าตรงกลางวงแหวนมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงกว่าในขณะที่ "เกร็ด" ของมันมีสีฟ้าเนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อย ในทำนองเดียวกันการกระจายของประจุนี้เนื่องมาจากลักษณะอะโรมาติกของเบนซิน
ในแผนที่นี้ยังสังเกตเห็นสีเขียวและสีเหลืองซึ่งบ่งบอกถึงการประมาณของพื้นที่ที่ยากจนและอุดมไปด้วยอิเล็กตรอน
สีเหล่านี้มีสเกลของตัวเองแตกต่างจาก S-carnitine ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะเปรียบเทียบกลุ่ม -CO 2 -กับศูนย์กลางของวงแหวนอะโรมาติกซึ่งทั้งคู่แสดงด้วยสีแดงในแผนที่
หากทั้งคู่ยังคงระดับสีเดียวกันสีแดงบนแผนที่เบนซินจะเปลี่ยนเป็นสีส้มจาง ๆ ภายใต้มาตรฐานนี้สามารถเปรียบเทียบแผนที่ศักย์ไฟฟ้าสถิตและความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของโมเลกุลต่างๆได้
มิฉะนั้นแผนที่จะใช้เพื่อทราบการกระจายประจุของแต่ละโมเลกุลเท่านั้น
ปฏิกิริยาเคมี
ด้วยการสังเกตแผนที่ของศักย์ไฟฟ้าสถิตและดังนั้นบริเวณที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงและต่ำจึงสามารถทำนายได้ (แม้ว่าจะไม่ใช่ในทุกกรณี) ซึ่งปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นในโครงสร้างโมเลกุล
พื้นที่ที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงสามารถ "ให้" อิเล็กตรอนแก่สิ่งมีชีวิตรอบข้างที่ต้องการหรือต้องการได้ สายพันธุ์ที่มีประจุลบเหล่านี้ E +เรียกว่าอิเล็กโทรฟิล
ดังนั้น electrophiles สามารถตอบสนองกับกลุ่มที่แสดงโดยสีแดง (คนสหชายหญิง2 - กลุ่มและเป็นศูนย์กลางของน้ำมันเบนซินแหวนที่)
ในขณะที่บริเวณที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนต่ำจะทำปฏิกิริยากับสิ่งมีชีวิตที่มีประจุลบหรือกับบริเวณที่มีอิเล็กตรอนอิสระร่วมกัน หลังเรียกว่านิวคลีโอไทล์
ในกรณีของหมู่ -N (CH 3 ) 3 +จะทำปฏิกิริยาในลักษณะที่อะตอมไนโตรเจนได้รับอิเล็กตรอน (ลดลง)
ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในอะตอม
ในอะตอมอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมหาศาลและสามารถอยู่ในหลายพื้นที่ในเวลาเดียวกัน
อย่างไรก็ตามเมื่อระยะห่างจากนิวเคลียสเพิ่มขึ้นอิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานศักย์อิเล็กทรอนิกส์และการกระจายความน่าจะเป็นจะลดลง
ซึ่งหมายความว่าเมฆอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมไม่มีเส้นขอบที่กำหนด แต่เป็นก้อนที่เบลอ ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะคำนวณรัศมีอะตอม เว้นแต่จะมีเพื่อนบ้านที่สร้างความแตกต่างในระยะทางของนิวเคลียสซึ่งครึ่งหนึ่งสามารถถือเป็นรัศมีอะตอมได้ (r = d / 2)
ออร์บิทัลของอะตอมและฟังก์ชันคลื่นเรเดียลและคลื่นเชิงมุมแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตามฟังก์ชันของระยะห่างจากนิวเคลียส
อ้างอิง
- วิทยาลัยรีด. (เอสเอฟ) ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนคืออะไร? ROCO กู้คืนจาก: reed.edu
- วิกิพีเดีย (2018) ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 มิถุนายน 2557). นิยามความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ดึงมาจาก: thoughtco.com
- สตีเวนเอฮาร์ดิงเกอร์ (2017) ภาพประกอบคำศัพท์เคมีอินทรีย์: ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ดึงมาจาก: chem.ucla.edu
- เคมี LibreTexts (29 พฤศจิกายน 2561). ขนาดอะตอมและการแจกแจงความหนาแน่นของอิเล็กตรอน สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
- Graham Solomons TW, Craig B.Fryhle (2011) เคมีอินทรีย์. เอมีน (10 THฉบับ.) ไวลีย์พลัส
- แครี่ F. (2008). เคมีอินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่หก). Mc Graw Hill