A delokalizált elektronok meghatározása a kémiában

A kémiában a delokalizált elektronok egy atomhoz, molekulához vagy ionhoz tartozó elektronok vagy elektronpárok, amelyek nem korlátozódnak egyetlen kémiailag kötött atom vagy atompár körüli keringésre, hanem bizonyos mozgásszabadsággal rendelkeznek egy molekulán vagy szilárd testen keresztül. Más szavakkal, a kifejezés olyan elektronokra vonatkozik, amelyek nem egy adott atomban vagy kovalens kötésben helyezkednek el.

A delokalizált elektronok lehetnek kötő elektronok vagy nem kötő elektronok. Az atompályákon és a molekuláris pályákon is jelen lehetnek . Az elektronok delokalizációt okozó mobilitásának kulcsa a szomszédos atomok közötti különböző hasonló pályák kombinációja. Ez előfordulhat a p pályák oldalirányú átfedéséből a pi kötés kialakulása során kettős és hármas kovalens kötésekben , vagy előfordulhat a fémkötésben lévő fématomok atompályáinak kombinációjából.

Delokalizált elektronok a kovalens kötésben

A vegyértékkötés elmélete szerint a kovalens kötés a kötött atomok vegyértékelektronjainak atomi pályáinak átfedésével jön létre. Ha két atom kovalens kötéssel kapcsolódik egymáshoz egynél több elektronpár megosztásával, az első elektronpár a két atomot összekötő tengely mentén elhelyezkedő két atompálya frontális átfedésével alkotja meg a szigmakötést.

Azonban a második és harmadik elektronpár, amelyek kettős , illetve hármas kötésben osztoznak, két szomszédos atom p _és p _z atomi pályáinak oldalirányú átfedésével teszik ezt , így pi-kötéseket képeznek. Ezek a pályák az atomokat összekötő tengely felett és alatt helyezkednek el, és nem közvetlenül ezen a tengelyen, mint a szigma kötés esetében.

Ha egy sorban egynél több többszörös kötés van egy atomláncon keresztül (úgynevezett konjugált kötések), az egyik pi kötés részét képező p pályák átfedésben vannak a következő pi kötést alkotó p pályákkal is, így jön létre. egyetlen pi kötés, amely magába foglalja az összes kapcsolódó atomot. Az ezeken a pályákon található kötőelektronok (amit pi-elektronoknak neveznek) szabadon mozoghatnak a teljes konjugált kötésen keresztül, ezért azt mondják, hogy delokalizáltak.

Delokalizáció és rezonancia

Az elektronok delokalizációját egyértelműen bizonyítja egy kémiai vegyület különböző Lewis-szerkezeteinek megrajzolása. Sokszor ugyanaz a vegyület több Lewis-struktúrával is ábrázolható. Ezen struktúrák mindegyike átalakítható a többisé a pi elektronok vagy nem kötő elektronpárok mozgása révén a szerkezeten keresztül. Az egyik Lewis-struktúrából a másikba való átalakulás folyamatát rezonanciának nevezik, és ez az elektronok delokalizációjának grafikus módja.

Sok esetben a kísérleti bizonyítékok azt mutatják, hogy a tényleges szerkezet nem ezeknek az egyedi rezonanciastruktúráknak egyike, hanem az összes rezonanciaszerkezet kombinációja az úgynevezett rezonanciahibridben. A rezonanciahibrid létezésére vonatkozó kísérleti bizonyíték egyúttal kísérleti bizonyíték a pi elektronok delokalizációjára egy molekulában.

Delokalizált elektronok ábrázolása

Amikor grafikusan ábrázolunk egy molekulát , amely delokalizált elektronokat tartalmaz, ezt a rezonanciaszerkezeten keresztül tesszük. Mint fentebb említettük, ez a struktúra az egyes rezonanciastruktúrák kombinációja, amelyben az összes szigma kötés változatlan marad; a különböző atomok közötti pi kötések azonban néha vannak, néha nincsenek, így átlagosan valahol a kettős és az egyszeres kovalens kötés között ábrázolhatók .

Az első feltételezett rezonanciastruktúra a benzol szerkezete volt, amelyet Kekulé javasolt. Ebben a pi elektronok nem három pi-kötésben helyezkedtek el, hanem szabadon forogtak a molekula körül.

Delokalizált elektronok a fémes kötésben

A fémek alkotják a periódusos rendszer legnagyobb elemcsoportját. Ezeket nagy elektromos vezetőképesség jellemzi, ami azt mutatja, hogy a fémet alkotó atomok elektronjai nagy mozgásszabadsággal rendelkeznek; más szóval delokalizálódnak. Ebben az esetben az elektronok delokalizációja a fémes kötés jellemzőiből adódik. Két elmélet magyarázza a fémes kötést és tulajdonságait: az elektrongáz elmélet (más néven elektronfelhő vagy elektrontenger elmélet) és a sávelmélet.

elektronikus gázelmélet

Az elektrongáz-elméletben a fémes szilárd anyagokat olyan kristályrácsnak tekintik, amelyet olyan kationok alkotnak, amelyek elvesztették vegyértékelektronjaikat, és amelyek szabadon áramlanak a kristályrács hézagjaiban, mintha elektronok által alkotott gáz (egy gázelektronika) lenne, amely diffundál. porózus közegen keresztül.

Ebben az elméletben minden fématom elveszíti vegyértékelektronját vagy elektronjait, így azok többé nem helyezkednek el egy helyen a szilárd testben. Következésképpen ezek az elektronok delokalizálódtak.

sávelmélet

A sávelmélet a molekuláris pályaelmélet sajátos alkalmazása fémes kötésekre. Ebben az elméletben a fémet háromdimenziós molekulának tekintik, amelyet N atomok egymáshoz kötöttek. A fémes kötést a fémes makromolekulát alkotó egyes atomok atomi pályáinak átfedésével magyarázzák, így N molekulapálya halmazát alkotják.

Ezek a molekuláris pályák lehetnek kötő, antikötő és nem kötődő pályák. A kialakuló nagyszámú molekulapálya végül egy olyan pályát hoz létre, amelyek között szinte folyamatos energiaszintek vannak.

Az üres hüvelypályák további kombinációja üres kötő- és kötőpályák sávjait is eredményezi; fémek esetében ezek átfedésben vannak a szilárd anyagot alkotó atomok vegyértékelektronjai által elfoglalt molekulapályákkal. Ez az átfedés lehetővé teszi, hogy ezeket a vegyértékelektronokat könnyen előmozdítsák üres pályákra, amelyek az egész szilárdtestet átfogják, így szabadon mozoghatnak magán a szilárd anyagon, megmagyarázva a fémek vezetőképességét.

Példák delokalizált elektronokra

A grafit pi elektronjai

A grafit egy molekuláris szilárd anyag , amely szénatomok rétegeiből áll, amelyek egymáshoz kapcsolva sp ² -hibridizált atomokból álló hatszögletű rácsot alkotnak . Ezen héjak mindegyikében az egyes szénatomok p _z pályája átfedésben van a három szomszédos atom p _z pályájával, és a héj teljes felületén átívelő pi elektronrendszert alkot. A réteg a rétegre halmozás kiterjedt delokalizált elektronrendszert eredményez, amely a grafitnak nagy vezetőképességet biztosít a rétegek síkja mentén.

Ennek az ellenkezője igaz a szén másik gyakori allotrópjára , a gyémántra. Ez a szénatomok háromdimenziós hálózatából áll, sp ³ hibridizációval, amelyben az összes szénatom szigma kötést alkot, amelyben az elektronok tökéletesen elhelyezkednek, így a gyémánt az egyik legjobb ismert elektromos szigetelő.

A nátrium 3s elektronjai

A nátrium egy alkálifém, amelynek egyetlen vegyértékelektronja van a 3s pályán. Akár az elektrongáz-elmélet, akár a sávelmélet szemszögéből nézzük a nátriumatomok közötti kötést, minden nátriumatom 3s vegyértékű elektronja teljes mozgásszabadsággal rendelkezik a fém hosszában, ami egy példa delokalizált elektronok.

A naftalin 10 pi elektronja

A benzolhoz és más szerves vegyületekhez hasonlóan a naftalin pi-elektronjai delokalizálódnak, és szabadon mozognak a 10 szénatomos molekula felületén.

Hivatkozások

Chang, R. (2021). Kémia (11. ^kiadás ). MCGRAW HILL OKTATÁS.

Delokalizált elektron . (nd). ScientificTexts.com. https://wikioes.icu/wiki/delocalized_electron

Ledesma, JM (2019, október 11.). A Kekulé-féle benzol szerkezeti jellemzése: a kreativitás és a heurisztika példája a kémiai ismeretek felépítésében . Unesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/

Kémia.ES. (nd). Electronic_offshoring . Kémia.is. https://www.quimica.es/enciclopedia/Deslocalicaci%C3%B3n_electr%C3%B3nica.html

Chemtube. (nd). Bevezetés a fémes kötésbe: az elektrontenger modellje | Chemitube . quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introduccion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/

Tudományos szövegek. (2006, május 16.). Zenekar elmélet . ScientificTexts.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas