Définition des électrons délocalisés en chimie

En chimie, les électrons délocalisés sont des électrons ou des paires d’électrons appartenant à un atome, une molécule ou un ion qui ne se limitent pas à tourner autour d’un seul atome chimiquement lié ou d’une paire d’atomes, mais qui ont une certaine liberté de mouvement à travers une molécule ou un solide. En d’autres termes, le terme fait référence aux électrons qui ne sont pas situés dans un atome particulier ou une liaison covalente.

Les électrons délocalisés peuvent être soit des électrons liants, soit des électrons non liants. Ils peuvent également être présents à la fois dans les orbitales atomiques et les orbitales moléculaires. La clé de la mobilité des électrons qui donne lieu à la délocalisation est la combinaison de différentes orbitales similaires entre atomes adjacents. Cela peut se produire à partir du chevauchement latéral des orbitales p lors de la formation de la liaison pi dans les liaisons doubles et triples covalentes, ou cela peut se produire à partir de la combinaison des orbitales atomiques des atomes métalliques dans la liaison métallique.

Électrons délocalisés dans la liaison covalente

Selon la théorie des liaisons de valence, la liaison covalente est formée par le chevauchement des orbitales atomiques des électrons de valence des atomes liés. Lorsque deux atomes sont liés de manière covalente en partageant plus d’une paire d’électrons, la première paire d’électrons forme la liaison sigma par le chevauchement frontal de deux orbitales atomiques orientées le long de l’axe qui joint les deux atomes.

Cependant, les deuxième et troisième paires d’électrons qui sont partagées dans les doubles et triples liaisons, respectivement, le font par chevauchement latéral des orbitales atomiques p _et p _z de deux atomes adjacents, formant ainsi des liaisons pi. Ces orbitales sont situées au-dessus et au-dessous de l’axe qui joint les atomes et non directement sur cet axe comme dans le cas de la liaison sigma.

Lorsqu’il y a plus d’une liaison multiple dans une rangée à travers une chaîne d’atomes (appelées liaisons conjuguées), les orbitales p qui font partie de l’une des liaisons pi se chevauchent également avec les orbitales p qui forment la prochaine liaison pi, formant ainsi une seule liaison pi qui englobe tous les atomes liés. Les électrons de liaison trouvés dans ces orbitales (appelés électrons pi) sont libres de se déplacer dans toute la liaison conjuguée, ils sont donc dits délocalisés.

Délocalisation et résonance

La délocalisation des électrons est clairement mise en évidence en dessinant les différentes structures de Lewis d’un composé chimique. À de nombreuses occasions, le même composé peut être représenté par plus d’une structure de Lewis. Chacune de ces structures peut être convertie en les autres par le mouvement d’électrons pi ou de paires d’électrons non liés à travers la structure. Ce processus de transformation d’une structure de Lewis à une autre est appelé résonance, et c’est une manière graphique de voir la délocalisation des électrons.

Dans de nombreux cas, des preuves expérimentales montrent que la structure réelle n’est pas l’une de ces structures de résonance individuelles, mais plutôt une combinaison de toutes les structures de résonance dans ce qu’on appelle un hybride de résonance. La preuve expérimentale de l’existence d’un hybride de résonance est en même temps une preuve expérimentale de la délocalisation des électrons pi dans une molécule.

Représentation des électrons délocalisés

Lorsque nous représentons graphiquement une molécule qui a des électrons délocalisés, nous le faisons à travers la structure de résonance. Comme mentionné ci-dessus, cette structure est une combinaison des structures de résonance individuelles dans lesquelles toutes les liaisons sigma restent inchangées; cependant, les liaisons pi entre différents atomes sont parfois présentes et parfois absentes, de sorte qu’en moyenne, elles peuvent être représentées quelque part entre une double et une simple liaison covalente.

La première structure de résonance postulée était la structure du benzène proposée par Kekulé. Dans celui-ci, les électrons pi n’étaient pas situés dans trois liaisons pi, mais tournaient librement autour de la molécule.

Électrons délocalisés dans la liaison métallique

Les métaux constituent le plus grand groupe d’éléments du tableau périodique. Ceux-ci se caractérisent par une conductivité électrique élevée, ce qui montre que les électrons des atomes qui composent un métal ont une grande liberté de mouvement ; en d’autres termes, ils sont délocalisés. Dans ce cas, la délocalisation des électrons est due aux caractéristiques de la liaison métallique. Il existe deux théories qui expliquent la liaison métallique et ses propriétés : la théorie du gaz d’électrons (également appelée théorie du nuage d’électrons ou de la mer d’électrons) et la théorie des bandes.

théorie électronique des gaz

Dans la théorie du gaz électronique, les solides métalliques sont considérés comme un réseau cristallin formé par des cations ayant perdu leurs électrons de valence, qui circulent librement dans les interstices du réseau cristallin comme s’il s’agissait d’un gaz formé par des électrons (un gaz électronique) qui diffuse à travers un milieu poreux.

Dans cette théorie, chaque atome métallique perd son ou ses électrons de valence, de sorte qu’ils ne sont plus localisés à un seul endroit dans le solide. Par conséquent, ces électrons sont dits délocalisés.

théorie des bandes

La théorie des bandes est une application particulière de la théorie des orbitales moléculaires à la liaison métallique. Dans cette théorie, le métal est considéré comme une molécule tridimensionnelle formée d’atomes de N liés entre eux. La liaison métallique s’explique par le chevauchement des orbitales atomiques de chacun des atomes qui forment cette macromolécule métallique, formant ainsi un ensemble de N orbitales moléculaires.

Ces orbitales moléculaires peuvent être liantes, antiliantes et non liantes. Le grand nombre d’orbitales moléculaires qui se forment finit par donner naissance à une bande d’orbitales avec des niveaux d’énergie presque continus entre elles.

La combinaison supplémentaire d’orbitales de gousses vides donne également naissance à des bandes d’orbitales de liaison et antiliaison vides; dans le cas des métaux, celles-ci se chevauchent avec les orbitales moléculaires occupées par les électrons de valence des atomes qui composent le solide. Ce chevauchement permet à ces électrons de valence d’être facilement promus vers des orbitales vides qui couvrent tout le solide, leur permettant ainsi de se déplacer librement à travers le solide lui-même, expliquant la conductivité des métaux.

Exemples d’électrons délocalisés

Électrons Pi du graphite

Le graphite est un solide moléculaire composé de couches d’atomes de carbone liés ensemble pour former un réseau hexagonal d’atomes hybrides sp ² . Dans chacune de ces coquilles, l’orbitale p _z de chaque atome de carbone chevauche les orbitales p _z des trois atomes voisins, formant un système d’électrons pi qui s’étend sur toute la surface de la coquille. L’empilement couche sur couche donne un vaste système d’électrons délocalisés qui donne au graphite une conductivité élevée le long du plan des couches.

L’inverse est vrai pour l’autre allotrope commun du carbone, le diamant. Celui-ci est constitué d’un réseau tridimensionnel d’atomes de carbone à hybridation sp ³ dans lequel tous les atomes de carbone forment des liaisons sigma dans lesquelles les électrons sont parfaitement localisés, ce qui fait du diamant l’un des meilleurs isolants électriques connus. .

Les électrons 3s du sodium

Le sodium est un métal alcalin qui possède un seul électron de valence dans l’orbite 3s. Que nous considérions la liaison entre les atomes de sodium du point de vue de la théorie des gaz électroniques ou du point de vue de la théorie des bandes, l’électron de valence 3s de chaque atome de sodium a une totale liberté de mouvement sur la longueur du métal, ce qui représente un exemple de électrons délocalisés.

Les 10 électrons pi du naphtalène

Comme le benzène et d’autres composés organiques, les électrons pi du naphtalène sont délocalisés et se déplacent librement le long de la surface de la molécule à 10 carbones.

Les références

Chang, R. (2021). Chimie (11e ^éd .). ÉDUCATION DE MCGRAW HILL.

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