Дефиниция на делокализирани електрони в химията

В химията делокализираните електрони са електрони или двойки електрони, принадлежащи на атом, молекула или йон, които не са ограничени да се въртят около единичен химически свързан атом или двойка атоми, но имат известна свобода на движение през молекула или твърдо тяло. С други думи, терминът се отнася до електрони, които не са разположени в определен атом или ковалентна връзка.

Делокализираните електрони могат да бъдат или свързващи електрони, или несвързващи електрони. Те могат да присъстват както в атомни орбитали , така и в молекулни орбитали. Ключът към мобилността на електроните, която води до делокализация, е комбинацията от различни подобни орбитали между съседни атоми. Това може да възникне от страничното припокриване на p орбиталите по време на образуването на pi връзка в двойни и тройни ковалентни връзки или може да възникне от комбинацията на атомните орбитали на металните атоми в металната връзка.

Делокализирани електрони в ковалентната връзка

Според теорията на валентната връзка ковалентната връзка се образува от припокриването на атомните орбитали на валентните електрони на свързаните атоми. Когато два атома са ковалентно свързани един с друг чрез споделяне на повече от една двойка електрони, първата двойка електрони образува сигма връзката чрез предното припокриване на две атомни орбитали, ориентирани по оста, която свързва двата атома.

Въпреки това, втората и третата двойка електрони, които се споделят съответно в двойни и тройни връзки, правят това чрез странично припокриване на p _и p _z атомните орбитали на два съседни атома, като по този начин образуват pi връзки. Тези орбитали са разположени над и под оста, която свързва атомите, а не директно върху тази ос, както в случая на сигма връзката.

Когато има повече от една последователна множествена връзка чрез верига от атоми (наречени спрегнати връзки), p орбиталите, които образуват част от една от pi връзките, също се припокриват с p орбиталите, които образуват следващата pi връзка, като по този начин образуват единична пи връзка, която обхваща всички свързани атоми. Свързващите електрони, открити в тези орбитали (наречени пи електрони), са свободни да се движат през цялата спрегната връзка, така че се казва, че са делокализирани.

Делокализация и резонанс

Делокализацията на електроните е ясно доказана чрез начертаване на различните структури на Луис на химично съединение. В много случаи едно и също съединение може да бъде представено от повече от една структура на Люис. Всяка от тези структури може да бъде преобразувана в другите чрез движението на пи електрони или несвързани двойки електрони през структурата. Този процес на трансформация от една структура на Луис в друга се нарича резонанс и е графичен начин да се види делокализацията на електроните.

В много случаи експерименталните доказателства показват, че действителната структура не е нито една от тези отделни резонансни структури, а по-скоро комбинация от всички резонансни структури в това, което се нарича резонансен хибрид. Експерименталното доказателство за съществуването на резонансен хибрид е в същото време експериментално доказателство за делокализацията на пи електрони в молекула.

Представяне на делокализирани електрони

Когато представяме графично молекула , която има делокализирани електрони, ние го правим чрез резонансната структура. Както бе споменато по-горе, тази структура е комбинация от отделните резонансни структури, в които всички сигма връзки остават непроменени; Въпреки това, pi връзките между различни атоми понякога са там, а понякога не, така че средно те могат да бъдат представени като нещо между двойна и единична ковалентна връзка.

Първата постулирана резонансна структура е структурата на бензена, предложена от Кекуле. В него пи-електроните не са били разположени в три пи-връзки, а са се въртели свободно около молекулата.

Делокализирани електрони в металната връзка

Металите съставляват най-голямата група елементи в периодичната таблица. Те се характеризират с висока електрическа проводимост, което показва, че електроните на атомите, които изграждат метала, имат голяма свобода на движение; с други думи, те са делокализирани. В този случай делокализацията на електроните се дължи на характеристиките на металната връзка. Има две теории, които обясняват металната връзка и нейните свойства: теорията на електронния газ (наричана още теория на електронния облак или теория на електронното море) и теорията на лентите.

електронна газова теория

В теорията на електронния газ металните твърди вещества се разглеждат като кристална решетка, образувана от катиони, които са загубили своите валентни електрони, които текат свободно в междините на кристалната решетка, сякаш е газ, образуван от електрони (газ електронен), който дифундира през пореста среда.

В тази теория всеки метален атом губи своя валентен електрон или електрони, така че те вече не са разположени на едно място в твърдото вещество. Като следствие се казва, че тези електрони са делокализирани.

лентова теория

Теорията на лентите е специално приложение на теорията на молекулярните орбити към металното свързване. В тази теория металът се разглежда като триизмерна молекула, образувана от N атоми, свързани заедно. Металната връзка се обяснява с припокриването на атомните орбитали на всеки един от атомите, които образуват тази метална макромолекула, като по този начин се образува набор от N молекулни орбитали.

Тези молекулни орбитали могат да бъдат свързващи, антисвързващи и несвързващи. Големият брой молекулни орбитали, които се образуват, в крайна сметка пораждат лента от орбитали с почти непрекъснати енергийни нива между тях.

По-нататъшната комбинация от празни шушулни орбитали също води до ленти от празни свързващи и антисвързващи орбитали; в случая на металите, те се припокриват с молекулните орбитали, заети от валентни електрони на атомите, които изграждат твърдото вещество. Това припокриване позволява тези валентни електрони лесно да бъдат повишени до празни орбитали, които обхващат цялото твърдо вещество, като по този начин им позволява да се движат свободно през самото твърдо вещество, обяснявайки проводимостта на металите.

Примери за делокализирани електрони

Pi електрони на графит

Графитът е молекулярно твърдо вещество , съставено от слоеве от въглеродни атоми, свързани заедно, за да образуват шестоъгълна решетка от sp ² -хибридизирани атоми . Във всяка от тези обвивки p _z орбиталата на всеки въглероден атом се припокрива с p _z орбиталите на трите съседни атома, образувайки pi електронна система, която обхваща цялата повърхност на обвивката. Подреждането слой върху слой води до обширна делокализирана електронна система, която дава на графита висока проводимост по равнината на слоевете.

Обратното е вярно за другия общ алотроп на въглерода, диамант. Състои се от триизмерна мрежа от въглеродни атоми с sp ³ хибридизация, в която всички въглеродни атоми образуват сигма връзки, в които електроните са перфектно разположени, което прави диаманта един от най-добрите познати електрически изолатори.

3s електроните на натрия

Натрият е алкален метал, който има един валентен електрон в 3s орбитала. Независимо дали разглеждаме свързването между натриевите атоми от гледна точка на теорията на електронния газ или от гледна точка на лентовата теория, 3s валентният електрон на всеки натриев атом има пълна свобода на движение по дължината на метала, представлявайки пример за делокализирани електрони.

10 pi електрона на нафталина

Подобно на бензена и други органични съединения, пи-електроните на нафталина са делокализирани и се движат свободно по повърхността на 10-въглеродната молекула.

Препратки

Чанг, Р. (2021). Химия (11-то ^{издание} ). MCGRAW HILL ОБРАЗОВАНИЕ.

Делокализиран електрон . (nd). ScientificTexts.com. https://wikioes.icu/wiki/delocalized_electron

Ledesma, JM (2019, 11 октомври). Структурната характеристика на бензена на Кекуле: пример за креативност и евристика в изграждането на химическо знание . Unesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/

Химия.ES. (nd). Електронно_офшоринг . Химия.е. https://www.quimica.es/enciclopedia/Deslocalicaci%C3%B3n_electr%C3%B3nica.html

Chemtube. (nd). Въведение в металното свързване: модел на морето от електрони | Chemitube . quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introduccion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/

Научни текстове. (2006, 16 май). Теория на лентите . ScientificTexts.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas