MẬT ĐỘ ELECTRON LÀ GÌ? - HÓA HỌC - 2026

Các mật độ electron là một biện pháp như thế nào khả năng nó là để tìm ra electron trong một khu vực cụ thể của không gian; hoặc xung quanh hạt nhân nguyên tử, hoặc trong các "vùng lân cận" trong cấu trúc phân tử.

Nồng độ electron tại một điểm nhất định càng cao thì mật độ electron càng cao, và do đó, nó sẽ được phân biệt với môi trường xung quanh và sẽ thể hiện một số đặc điểm giải thích cho phản ứng hóa học. Một cách đồ họa tuyệt vời để thể hiện một khái niệm như vậy là thông qua bản đồ điện thế tĩnh điện.

Nguồn: Manuel Almagro Rivas qua Wikipedia

Ví dụ, hình trên cho thấy cấu trúc của đồng phân đối quang S-carnitine với bản đồ thế tĩnh điện tương ứng của nó. Có thể quan sát thấy thang điểm bao gồm các màu của cầu vồng: màu đỏ để chỉ vùng có mật độ electron cao nhất và màu xanh lam cho vùng đó nghèo electron.

Khi phân tử được chuyển hướng từ trái sang phải, chúng tôi di chuyển khỏi nhóm -CO ₂ ^- về phía khung CH ₂ -CHOH-CH ₂ , nơi có màu vàng và xanh lục, cho thấy mật độ electron giảm; lên đến nhóm -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , vùng nghèo electron nhất, có màu xanh lam.

Nói chung, những vùng có mật độ electron thấp (những vùng có màu vàng và xanh lục) là ít phản ứng nhất trong phân tử.

Ý tưởng

Hơn cả về mặt hóa học, mật độ electron có bản chất vật lý, bởi vì các electron không giữ nguyên trạng thái tĩnh, mà di chuyển từ phía này sang phía khác tạo ra điện trường.

Và sự biến đổi của các trường này gây ra sự khác biệt về mật độ electron trong bề mặt van der Waals (tất cả những bề mặt đó của hình cầu).

Cấu trúc của S-carnitine được thể hiện bằng một mô hình gồm các khối cầu và các thanh, nhưng nếu là bề mặt van der Waals của nó, các thanh này sẽ biến mất và chỉ quan sát được một tập hợp các khối cầu (có cùng màu).

Các electron có nhiều khả năng ở xung quanh các nguyên tử âm điện hơn; tuy nhiên, có thể có nhiều hơn một nguyên tử âm điện trong cấu trúc phân tử, và do đó các nhóm nguyên tử cũng phát huy tác dụng cảm ứng riêng của chúng.

Điều này có nghĩa là điện trường thay đổi nhiều hơn mức có thể dự đoán bằng cách quan sát một phân tử từ cái nhìn của mắt chim; nghĩa là có thể có sự phân cực ít nhiều của các điện tích âm hoặc của mật độ electron.

Điều này cũng có thể được giải thích theo cách sau: sự phân bố của các điện tích trở nên đồng nhất hơn.

Bản đồ điện thế tĩnh điện

Ví dụ, vì nhóm -OH có một nguyên tử oxy, nó thu hút mật độ điện tử của các nguyên tử lân cận của nó; tuy nhiên, trong S-carnitine, nó nhường một phần mật độ điện tử của nó cho nhóm -CO ₂ ^- , trong khi đồng thời nó để lại nhóm -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ với sự thiếu hụt điện tử lớn hơn.

Lưu ý rằng có thể rất khó để suy ra hiệu ứng cảm ứng hoạt động như thế nào trên một phân tử phức tạp, chẳng hạn như protein.

Để có được cái nhìn tổng thể về sự khác biệt như vậy trong điện trường trong cấu trúc, việc tính toán các bản đồ điện thế tĩnh điện được sử dụng.

Những tính toán này bao gồm việc đặt một điện tích điểm dương và di chuyển nó dọc theo bề mặt của phân tử; ở nơi có mật độ electron ít hơn, sẽ có lực đẩy tĩnh điện, và với lực đẩy lớn hơn, màu xanh lam sẽ càng đậm.

Ở những nơi có mật độ electron cao hơn sẽ có lực hút tĩnh điện mạnh, được biểu thị bằng màu đỏ.

Các tính toán có tính đến tất cả các khía cạnh cấu trúc, mômen lưỡng cực của các liên kết, hiệu ứng cảm ứng gây ra bởi tất cả các nguyên tử có độ âm điện cao, v.v. Và kết quả là bạn sẽ có được những bề mặt đầy màu sắc và bắt mắt.

So sánh màu sắc

Nguồn: Wikimedia Commons

Trên đây là bản đồ thế tĩnh điện của một phân tử benzen. Lưu ý rằng ở tâm của vòng có mật độ điện tử cao hơn, trong khi các "chóp" của nó có màu hơi xanh, do các nguyên tử hydro ít âm điện hơn. Tương tự như vậy, sự phân bố điện tích này là do đặc tính thơm của benzen.

Trong bản đồ này, màu xanh lá cây và màu vàng cũng được quan sát thấy, cho thấy giá trị gần đúng với các vùng nghèo và giàu electron.

Những màu này có quy mô riêng, khác với màu của S-carnitine; và do đó, sẽ không chính xác khi so sánh nhóm -CO ₂ ^- và trung tâm của vòng thơm, cả hai đều được biểu thị bằng màu đỏ trong bản đồ của chúng.

Nếu cả hai đều giữ nguyên thang màu, màu đỏ trên bản đồ benzen sẽ chuyển sang màu cam nhạt. Theo tiêu chuẩn này, có thể so sánh các bản đồ điện thế tĩnh điện, và do đó mật độ điện tử của các phân tử khác nhau.

Nếu không, bản đồ sẽ chỉ dùng để biết sự phân bố điện tích của một phân tử riêng lẻ.

Phản ứng hóa học

Bằng cách quan sát bản đồ điện thế tĩnh điện, và do đó các vùng có mật độ điện tử cao và thấp, có thể dự đoán (mặc dù không phải trong mọi trường hợp) nơi các phản ứng hóa học sẽ xảy ra trong cấu trúc phân tử.

Các khu vực có mật độ điện tử cao có khả năng “cung cấp” điện tử của chúng cho các loài xung quanh đang cần hoặc yêu cầu chúng; Những loài mang điện tích âm, E ⁺ , được gọi là electrophin.

Do đó, các ion có thể phản ứng với các nhóm đại diện bởi các màu đỏ (các -CO ₂ ^{- nhóm} và trung tâm của vòng benzen).

Trong khi các vùng có mật độ electron thấp, phản ứng với các loài mang điện tích âm hoặc với những vùng có các cặp electron tự do để chia sẻ; sau này được gọi là nucleophile.

Trong trường hợp của nhóm -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , nó sẽ phản ứng theo cách mà nguyên tử nitơ nhận được electron (bị khử).

Mật độ electron trong nguyên tử

Trong nguyên tử, các electron chuyển động với tốc độ rất lớn và có thể ở trong một số vùng không gian cùng một lúc.

Tuy nhiên, khi khoảng cách từ hạt nhân tăng lên, các electron nhận được thế năng điện tử và phân bố xác suất của chúng giảm.

Điều này có nghĩa là các đám mây điện tử của một nguyên tử không có đường viền xác định mà là đường viền bị mờ. Vì vậy, không dễ dàng để tính bán kính nguyên tử; trừ khi có những hàng xóm tạo ra sự khác biệt về khoảng cách giữa các hạt nhân của chúng, một nửa trong số đó có thể được coi là bán kính nguyên tử (r = d / 2).

Các obitan nguyên tử, và các hàm sóng hướng tâm và sóng góc của chúng, chứng minh mật độ electron thay đổi như thế nào như một hàm của khoảng cách từ hạt nhân.

Người giới thiệu

1. Cao đẳng Reed. (sf). Mật độ electron là gì? ROCO. Phục hồi từ: reed.edu
2. Wikipedia. (2018). Mật độ electron. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 11 tháng 6 năm 2014). Định nghĩa mật độ điện tử. Phục hồi từ: thinkco.com
4. Steven A. Hardinger. (2017). Thuật ngữ minh họa về Hóa học hữu cơ: Mật độ electron. Được phục hồi từ: chem.ucla.edu
5. Hóa học LibreTexts. (Ngày 29 tháng 11 năm 2018). Kích thước nguyên tử và phân bố mật độ điện tử. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
6. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Hóa học hữu cơ. Các amin. ( ^Tái bản ^{lần thứ} 10. ). Wiley Plus.
7. Carey F. (2008). Hóa học hữu cơ. (Tái bản lần thứ sáu). Đồi Mc Graw.