De elektronendichtheid het is een maatstaf voor hoe waarschijnlijk het is om het elektron in een bepaald gebied van de ruimte te vinden; ofwel rond een atoomkern, of in de "buurten" binnen moleculaire structuren.
Hoe hoger de concentratie van elektronen op een bepaald punt, hoe hoger de elektronendichtheid, en daarom zal het worden onderscheiden van zijn omgeving en bepaalde kenmerken vertonen die de chemische reactiviteit verklaren. Een uitstekende en grafische manier om een dergelijk concept weer te geven, is via de elektrostatische potentiaalkaart.
De bovenste afbeelding toont bijvoorbeeld de structuur van het S-carnitine-enantiomeer met de bijbehorende elektrostatische potentiaalkaart. Een schaal die is samengesteld uit de kleuren van de regenboog kan worden waargenomen: rood om het gebied met de hoogste elektronendichtheid aan te geven, en blauw voor dat gebied dat arm is aan elektronen..
Terwijl het molecuul van links naar rechts wordt doorlopen, gaan we weg van de -CO-groeptwee- richting skelet CHtwee-CHOH-CHtwee, waar de kleuren geel en groen zijn, wat wijst op een afname in elektronendichtheid; tot groep -N (CH33+, het armste gebied van elektronen, blauw gekleurd.
Over het algemeen zijn de gebieden waar de elektronendichtheid laag is (die geel en groen gekleurd) het minst reactief in een molecuul..
Artikel index
Elektronendichtheid is meer dan chemisch van aard, omdat elektronen niet statisch blijven, maar van de ene naar de andere kant reizen en elektrische velden creëren..
En de variatie van deze velden veroorzaakt de verschillen in de elektronendichtheden in de van der Waals-oppervlakken (al die oppervlakken van bollen).
De structuur van S-carnitine wordt weergegeven door een model van bollen en staven, maar als het door zijn van der Waals-oppervlak zou zijn, zouden de staven verdwijnen en zou alleen een aangekoekte reeks bollen worden waargenomen (met dezelfde kleuren).
Elektronen bevinden zich waarschijnlijk rond de meer elektronegatieve atomen; er kunnen echter meer dan één elektronegatief atoom in de moleculaire structuur zijn, en dus groepen atomen die ook hun eigen inductieve effect uitoefenen.
Dit betekent dat het elektrische veld meer varieert dan kan worden voorspeld door een molecuul vanuit vogelperspectief te observeren; dat wil zeggen, er kan meer of minder polarisatie zijn van negatieve ladingen of elektronendichtheid.
Dit is ook als volgt te verklaren: de lastverdeling wordt homogener.
Omdat de -OH-groep bijvoorbeeld een zuurstofatoom heeft, trekt het de elektronische dichtheid van zijn naburige atomen aan; in S-carnitine geeft het echter een deel van zijn elektronendichtheid af aan de -CO-groeptwee-, terwijl ze tegelijkertijd de groep -N (CH33+ met een grotere elektronische tekortkoming.
Merk op dat het erg moeilijk kan zijn om af te leiden hoe inductieve effecten werken in een complex molecuul, zoals een eiwit..
Om een overzicht te hebben van dergelijke verschillen in de elektrische velden in de structuur, wordt de computationele berekening van de elektrostatische potentiaalkaarten gebruikt..
Deze berekeningen bestaan uit het plaatsen van een positieve puntlading en deze langs het oppervlak van het molecuul te verplaatsen; waar er minder elektronendichtheid is, zal er elektrostatische afstoting zijn, en hoe hoger de afstoting, hoe intenser de blauwe kleur zal zijn.
Waar de elektronendichtheid hoger is, zal er een sterke elektrostatische aantrekkingskracht zijn, weergegeven door de kleur rood.
De berekeningen houden rekening met alle structurele aspecten, de dipoolmomenten van de bindingen, de inductieve effecten veroorzaakt door alle sterk elektronegatieve atomen, enz. En als resultaat krijg je die kleurrijke en visueel aantrekkelijke oppervlakken..
Hierboven ziet u de elektrostatische potentiaalkaart voor een benzeenmolecuul. Merk op dat er in het midden van de ring een hogere elektronendichtheid is, terwijl de "uiteinden" blauwachtig van kleur zijn vanwege de minder elektronegatieve waterstofatomen. Evenzo is deze verdeling van ladingen te wijten aan het aromatische karakter van benzeen.
Op deze kaart worden ook de kleuren groen en geel waargenomen, wat de benaderingen aangeeft van de regio's arm en rijk aan elektronen..
Deze kleuren hebben hun eigen schaal, verschillend van die van S-carnitine; en daarom is het onjuist om de groep -CO te vergelijkentwee- en het midden van de aromatische ring, beide vertegenwoordigd door de kleur rood op hun kaarten.
Als ze allebei dezelfde kleurenschaal zouden behouden, zou de rode kleur op de benzeenkaart een zwak oranje worden. Onder deze standaardisatie kunnen de elektrostatische potentiaalkaarten, en dus de elektronendichtheden van verschillende moleculen, worden vergeleken..
Anders zou de kaart alleen dienen om de ladingsverdelingen voor een individueel molecuul te kennen..
Door een kaart van elektrostatische potentiaal te bekijken, en dus gebieden met hoge en lage elektronendichtheden, kan worden voorspeld (hoewel niet in alle gevallen) waar chemische reacties zullen plaatsvinden in de moleculaire structuur..
Gebieden met een hoge elektronendichtheid zijn in staat hun elektronen te “leveren” aan omringende soorten die ze nodig hebben of nodig hebben; voor deze soorten, negatief geladen, E.+, ze staan bekend als elektrofielen.
Daarom kunnen elektrofielen reageren met de groepen die worden weergegeven door de kleur rood (de -COtwee- en het midden van de benzeenring).
Terwijl de gebieden met een lage elektronendichtheid reageren met negatief geladen soorten, of met diegene die vrije elektronenparen hebben om te delen; de laatste staan bekend als nucleofielen.
In het geval van de -N (CH33+, het zal zo reageren dat het stikstofatoom elektronen krijgt (vermindert).
In het atoom bewegen de elektronen met enorme snelheden en kunnen ze zich tegelijkertijd in meerdere gebieden in de ruimte bevinden.
Naarmate de afstand tot de kern toeneemt, nemen de elektronen echter elektronische potentiële energie op en neemt hun probabilistische verdeling af..
Dit betekent dat de elektronische wolken van een atoom geen gedefinieerde grens hebben, maar een wazige. Daarom is het niet eenvoudig om de atoomstraal te berekenen; Tenzij er buren zijn die een verschil vaststellen in de afstanden van hun kernen, waarvan de helft kan worden genomen als de atoomstraal (r = d / 2).
Atoomorbitalen, en hun radiale en hoekgolffuncties, laten zien hoe de elektronendichtheid verandert als functie van de afstand die hen van de kern scheidt..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.