O que é densidade de elétrons? - Ciência - 2023

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o densidade de elétrons é uma medida da probabilidade de encontrar o elétron em uma determinada região do espaço; ou em torno de um núcleo atômico, ou nas "vizinhanças" dentro de estruturas moleculares.

Quanto maior a concentração de elétrons em um determinado ponto, maior a densidade do elétron e, portanto, ele se distinguirá de seu entorno e apresentará certas características que explicam a reatividade química. Uma maneira excelente e gráfica de representar tal conceito é por meio do mapa de potencial eletrostático.

Por exemplo, a imagem superior mostra a estrutura do enantiômero S-carnitina com seu mapa de potencial eletrostático correspondente. Pode-se observar uma escala composta pelas cores do arco-íris: o vermelho para indicar a região de maior densidade de elétrons e o azul para a região pobre em elétrons.


À medida que a molécula é atravessada da esquerda para a direita, nos afastamos do grupo -CO2– em direção ao esqueleto CH2-CHOH-CH2, onde as cores são amarelo e verde, indicando uma diminuição na densidade do elétron; até o grupo -N (CH3)3+, a região mais pobre de elétrons, de cor azul.

Geralmente, as regiões onde a densidade do elétron é baixa (aquelas coloridas de amarelo e verde) são as menos reativas em uma molécula.

Conceito

Mais do que química, a densidade do elétron é de natureza física, porque os elétrons não permanecem estáticos, mas viajam de um lado para o outro criando campos elétricos.

E a variação desses campos causa as diferenças nas densidades de elétrons nas superfícies de van der Waals (todas aquelas superfícies de esferas).

A estrutura da S-carnitina é representada por um modelo de esferas e barras, mas se fosse por sua superfície de van der Waals, as barras desapareceriam e apenas um conjunto endurecido de esferas (com as mesmas cores) seria observado.


É mais provável que os elétrons estejam em torno dos átomos mais eletronegativos; entretanto, 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 pode ser previsto pela observação de uma molécula do ponto de vista de um pássaro; ou seja, pode haver mais ou menos polarização das cargas negativas ou da densidade do elétron.

Isso também pode ser explicado da seguinte forma: a distribuição das cargas torna-se mais homogênea.

Mapa de potencial eletrostático

Por exemplo, o grupo -OH com um átomo de oxigênio atrai a densidade eletrônica de seus átomos vizinhos; no entanto, em S-carnitina dá parte de sua densidade de elétrons ao grupo -CO2–, ao mesmo tempo que deixa o grupo -N (CH3)3+ com maior deficiência eletrônica.


Observe que pode ser muito difícil inferir como os efeitos indutivos atuam em uma molécula complexa, como uma proteína.

Para se ter uma visão geral de tais diferenças nos campos elétricos da estrutura, utiliza-se 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 menos densidade de elétrons, haverá repulsão eletrostática, e quanto maior a repulsão, mais intensa será a cor azul.

Onde a densidade do elétron for maior, haverá uma forte atração eletrostática, representada pela cor vermelha.

Os cálculos levam em consideração todos os aspectos estruturais, os momentos de dipolo das ligações, os efeitos indutivos causados ​​por todos os átomos altamente eletronegativos, etc. E, como resultado, você obtém aquelas superfícies coloridas e visualmente atraentes.

Comparação de cores

Acima está o mapa de potencial eletrostático para uma molécula de benzeno. Observe que no centro do anel há uma densidade de elétrons mais alta, enquanto suas "pontas" são de cor azulada, devido aos átomos de hidrogênio menos eletronegativos. Da mesma forma, essa distribuição de cargas se deve ao caráter aromático do benzeno.

Neste mapa também são observadas as cores verde e amarelo, indicando as aproximações para as regiões pobres e ricas em elétrons.

Essas cores têm escala própria, diferente da S-carnitina; e, portanto, é incorreto comparar o grupo -CO2– e o centro do anel aromático, ambos representados pela cor vermelha em seus mapas.

Se ambos mantivessem a mesma escala de cores, a cor vermelha no mapa de benzeno seria vista se transformando em um laranja esmaecido. Sob essa padronização, os mapas de potencial eletrostático e, portanto, as densidades de elétrons de várias moléculas podem ser comparados.

Caso contrário, o mapa serviria apenas para saber as distribuições de carga para uma molécula individual.

Reatividade química

Observando um mapa de potencial eletrostático e, portanto, regiões com alta e baixa densidade de elétrons, pode-se prever (embora não em todos os casos) onde as reações químicas ocorrerão na estrutura molecular.

Regiões com alta densidade de elétrons são capazes de "fornecer" seus elétrons para as espécies vizinhas que precisam ou precisam deles; para essas espécies, com carga negativa, E+, eles são conhecidos como eletrófilos.

Portanto, os eletrófilos podem reagir com os grupos representados pela cor vermelha (o -CO2– e o centro do anel de benzeno).

Enquanto as regiões com baixa densidade de elétrons reagem com espécies carregadas negativamente, ou com aquelas que têm pares de elétrons livres para compartilhar; os últimos são conhecidos como nucleófilos.

No caso do -N (CH3)3+, ele vai reagir de tal forma que o átomo de nitrogênio ganha elétrons (reduz).

Densidade de elétrons no átomo

No átomo, os elétrons se movem a velocidades enormes e podem estar em várias regiões do espaço ao mesmo tempo.

Porém, à medida que a distância do núcleo aumenta, os elétrons adquirem energia potencial eletrônica e sua distribuição probabilística diminui.

Isso significa que as nuvens eletrônicas de um átomo não têm uma borda definida, mas sim borrada. Portanto, não é fácil calcular o raio atômico; a menos que haja vizinhos que estabeleçam uma diferença nas distâncias de seus núcleos, metade das quais pode ser tomada como o raio atômico (r = d / 2).

Os orbitais atômicos e suas funções de onda radial e angular demonstram como a densidade do elétron muda em função da distância do núcleo.

Referências

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