A densidade de elétrons é uma medida de quão provável isso é encontrar o elétron em uma determinada região do espaço; ao redor de um núcleo atômico ou nas “vizinhanças” das estruturas moleculares.
Quanto maior a concentração de elétrons em um determinado ponto, maior a densidade de elétrons e, portanto, será diferenciada de seus arredores e exibirá certas características que explicam a reatividade química. Uma maneira gráfica e excelente de representar esse conceito é através do mapa de potencial eletrostático .
Por exemplo, a estrutura do enantiômero S-carnitina com seu mapa de potencial eletrostático correspondente é mostrada na imagem acima. Pode-se observar uma escala composta pelas cores do arco-íris: vermelho para indicar a região de maior densidade de elétrons e azul para a região pobre em elétrons.
À medida que a molécula é deslocada da esquerda para a direita, nos afastamos do grupo -CO 2 – em direção ao esqueleto CH 2 -CHOH-CH 2 , onde as cores são amarelas e verdes, sinalizando uma diminuição na densidade eletrônica; ao grupo -N (CH 3 ) 3 + , a região mais pobre dos elétrons, azul.
Geralmente, as regiões onde a densidade eletrônica é baixa (as cores amarela e verde) são as menos reativas em uma molécula.
Conceito
Mais do que química, a densidade eletrônica é de natureza física, porque os elétrons não permanecem estáticos, mas viajam de um lugar para outro, criando campos elétricos.
E a variação desses campos causa diferenças nas densidades eletrônicas nas superfícies de van der Waals (todas essas áreas de esferas).
A estrutura da S-carnitina é representada por um modelo de esferas e barras, mas se fosse a superfície de van der Waals, as barras desapareceriam e apenas um conjunto de esferas endurecido (com as mesmas cores) seria observado.
É provável que os elétrons estejam próximos dos átomos mais eletronegativos; no entanto, pode haver mais de um átomo eletronegativo na estrutura molecular e, portanto, grupos de átomos que também exercem seu próprio efeito indutivo.
Isso significa que o campo elétrico varia mais do que o esperado, observando uma molécula em vôo; isto é, pode haver mais ou menos polarização de cargas negativas ou densidade eletrônica.
Isso também pode ser explicado da seguinte forma: a distribuição dos encargos se torna mais homogênea.
Mapa de potencial eletrostático
Por exemplo, o grupo -OH por possuir um átomo de oxigênio atrai a densidade eletrônica de seus átomos vizinhos; no entanto, na parte rendimentos de S-carnitina da sua densidade de electrões para o grupo -CO 2 – , enquanto que ao mesmo tempo deixa o grupo -N (CH 3 ) 3 + mais deficiência de electrões.
Observe que pode ser muito difícil inferir como os efeitos indutivos funcionam em uma molécula complexa, como uma proteína.
Para ter uma visão geral de tais diferenças nos campos elétricos da estrutura, é usado o cálculo computacional dos mapas de potencial eletrostático.
Esses cálculos consistem em colocar uma carga pontual positiva e movê-la ao longo da superfície da molécula; onde houver menor densidade eletrônica, haverá repulsão eletrostática e, quanto maior a repulsão, mais intensa será a cor azul.
Onde a densidade eletrônica for maior, haverá uma forte atração eletrostática, representada pela cor vermelha.
Os cálculos levam em consideração todos os aspectos estruturais, os momentos dipolares das ligações, os efeitos indutivos causados por todos os átomos altamente eletronegativos, etc. E, como resultado, você obtém essas superfícies coloridas e um apelo visual.
Comparação de cores
Acima está o mapa de potencial eletrostático para uma molécula de benzeno. Observe que no centro do anel há uma maior densidade eletrônica, enquanto suas “pontas” são de cor azulada, devido aos átomos de hidrogênio menos eletronegativos. Além disso, essa distribuição de cargas se deve ao caráter aromático do benzeno.
Este mapa também mostra as cores verde e amarelo, indicando as aproximações para as regiões pobres e ricas em elétrons.
Essas cores têm escala própria, diferente da da S-carnitina; e, portanto, é incorreto comparar o grupo -CO 2 – e o centro do anel aromático, ambos representados pela cor vermelha em seus mapas.
Se os dois mantivessem a mesma escala de cores, seria visto que a cor vermelha no mapa de benzeno ficava em um tom laranja pálido. Sob essa padronização, os mapas de potencial eletrostático e, portanto, as densidades eletrônicas de várias moléculas, podem ser comparados.
Caso contrário, o mapa serviria apenas para conhecer as distribuições de carga de uma molécula individual.
Reatividade química
Ao observar um mapa do potencial eletrostático e, portanto, regiões com altas e baixas densidades eletrônicas, pode-se prever (embora não em todos os casos) onde reações químicas ocorrerão na estrutura molecular.
Regiões com alta densidade eletrônica são capazes de “fornecer” seus elétrons às espécies circundantes que as exigem ou precisam delas; Essas espécies, carregadas negativamente, E + , são conhecidas como eletrófilos.
Portanto, os eletrófilos podem reagir com os grupos representados pela cor vermelha (o grupo -CO 2 – e o centro do anel benzeno).
Enquanto regiões com baixa densidade eletrônica, reaja com espécies carregadas negativamente ou com aquelas que possuem pares livres de elétrons para compartilhar; Estes últimos são conhecidos como nucleófilos.
No caso de -N (CH 3 ) 3 + , irão reagir de modo a que o ganho de electrões átomo de azoto (reduzida).
Densidade eletrônica no átomo
No átomo, os elétrons se movem a velocidades enormes e podem estar em várias regiões do espaço ao mesmo tempo.
No entanto, à medida que a distância do núcleo aumenta, os elétrons adquirem energia eletrônica potencial e sua distribuição probabilística diminui.
Isso significa que as nuvens eletrônicas de um átomo não têm um limite definido, mas um limite borrado. Portanto, não é fácil calcular o raio atômico; a menos que haja vizinhos que estabeleçam uma diferença nas distâncias de seus núcleos, cuja metade pode ser tomada como um raio atômico (r = d / 2).
Os orbitais atômicos, e suas funções de onda radial e angular, demonstram como a densidade eletrônica é modificada com base na distância que os separa do núcleo.
Referências
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