Definizione di elettroni delocalizzati in chimica

In chimica, gli elettroni delocalizzati sono elettroni o coppie di elettroni appartenenti a un atomo, molecola o ione che non sono limitati a ruotare attorno a un singolo atomo o coppia di atomi legati chimicamente, ma hanno una certa libertà di movimento attraverso una molecola o un solido. In altre parole, il termine si riferisce agli elettroni che non si trovano in un particolare atomo o legame covalente.

Gli elettroni delocalizzati possono essere elettroni di legame o elettroni di non legame. Possono anche essere presenti sia negli orbitali atomici che negli orbitali molecolari. La chiave della mobilità degli elettroni che dà origine alla delocalizzazione è la combinazione di diversi orbitali simili tra atomi adiacenti. Ciò può verificarsi dalla sovrapposizione laterale degli orbitali p durante la formazione del legame pi nei legami covalenti doppi e tripli , oppure può verificarsi dalla combinazione degli orbitali atomici degli atomi di metallo nel legame metallico.

Elettroni delocalizzati nel legame covalente

Secondo la teoria del legame di valenza, il legame covalente è formato dalla sovrapposizione degli orbitali atomici degli elettroni di valenza degli atomi legati. Quando due atomi sono legati in modo covalente l’uno all’altro condividendo più di una coppia di elettroni, la prima coppia di elettroni forma il legame sigma mediante la sovrapposizione frontale di due orbitali atomici orientati lungo l’asse che unisce entrambi gli atomi.

Tuttavia, la seconda e la terza coppia di elettroni che sono condivise rispettivamente in doppi e tripli legami, lo fanno per sovrapposizione laterale degli orbitali atomici p _e p _z di due atomi adiacenti, formando così legami pi. Questi orbitali si trovano sopra e sotto l’asse che unisce gli atomi e non direttamente su questo asse come nel caso del legame sigma.

Quando c’è più di un legame multiplo di fila attraverso una catena di atomi (chiamati legami coniugati), gli orbitali p che fanno parte di uno dei legami pi si sovrappongono anche con gli orbitali p che formano il legame pi successivo, formando così un singolo legame pi greco che racchiude tutti gli atomi legati. Gli elettroni di legame trovati in questi orbitali (chiamati elettroni pi) sono liberi di muoversi attraverso l’intero legame coniugato, quindi si dice che siano delocalizzati.

Delocalizzazione e risonanza

La delocalizzazione degli elettroni è chiaramente evidenziata disegnando le diverse strutture di Lewis di un composto chimico. In molte occasioni, lo stesso composto può essere rappresentato da più di una struttura di Lewis. Ognuna di queste strutture può essere convertita nelle altre attraverso il movimento di elettroni pi o coppie di elettroni non leganti attraverso la struttura. Questo processo di trasformazione da una struttura di Lewis a un’altra è chiamato risonanza ed è un modo grafico di vedere la delocalizzazione degli elettroni.

In molti casi, l’evidenza sperimentale mostra che la struttura effettiva non è nessuna di queste singole strutture di risonanza, ma piuttosto una combinazione di tutte le strutture di risonanza in quello che viene chiamato un ibrido di risonanza. L’evidenza sperimentale dell’esistenza di un ibrido di risonanza è allo stesso tempo un’evidenza sperimentale della delocalizzazione degli elettroni pi in una molecola.

Rappresentazione di elettroni delocalizzati

Quando rappresentiamo graficamente una molecola che ha elettroni delocalizzati, lo facciamo attraverso la struttura di risonanza. Come accennato in precedenza, questa struttura è una combinazione delle singole strutture di risonanza in cui tutti i legami sigma rimangono invariati; tuttavia, i legami pi tra diversi atomi a volte sono presenti e talvolta no, quindi in media possono essere rappresentati come una via di mezzo tra un doppio e un singolo legame covalente.

La prima struttura di risonanza postulata fu la struttura del benzene proposta da Kekulé. In esso, gli elettroni pi non erano situati in tre legami pi, ma ruotavano liberamente attorno alla molecola.

Elettroni delocalizzati nel legame metallico

I metalli costituiscono il più grande gruppo di elementi della tavola periodica. Questi sono caratterizzati dall’avere un’elevata conducibilità elettrica, il che dimostra che gli elettroni degli atomi che compongono un metallo hanno una grande libertà di movimento; in altre parole, sono delocalizzati. In questo caso la delocalizzazione degli elettroni è dovuta alle caratteristiche del legame metallico. Esistono due teorie che spiegano il legame metallico e le sue proprietà: la teoria del gas di elettroni (chiamata anche teoria della nuvola di elettroni o del mare di elettroni) e la teoria delle bande.

teoria elettronica dei gas

Nella teoria del gas di elettroni, i solidi metallici sono considerati come un reticolo cristallino formato da cationi che hanno perso i loro elettroni di valenza, che scorrono liberamente negli interstizi del reticolo cristallino come se fosse un gas formato da elettroni (un gas elettronico) che diffonde attraverso un mezzo poroso.

In questa teoria, ogni atomo metallico perde il suo elettrone o i suoi elettroni di valenza, in modo che non si trovino più in un unico posto nel solido. Di conseguenza, si dice che questi elettroni sono delocalizzati.

teoria delle bande

La teoria delle bande è una particolare applicazione della teoria degli orbitali molecolari al legame metallico. In questa teoria, il metallo è considerato come una molecola tridimensionale formata da N atomi legati insieme. Il legame metallico si spiega mediante la sovrapposizione degli orbitali atomici di ciascuno degli atomi che formano questa macromolecola metallica, formando così un insieme di N orbitali molecolari.

Questi orbitali molecolari possono essere leganti, antileganti e non leganti. Il gran numero di orbitali molecolari che si formano finisce per dare origine a una banda di orbitali con livelli energetici quasi continui tra loro.

L’ulteriore combinazione di orbitali pod vuoti dà origine anche a bande di orbitali vuoti di legame e antilegame; nel caso dei metalli, questi si sovrappongono agli orbitali molecolari occupati dagli elettroni di valenza degli atomi che compongono il solido. Questa sovrapposizione consente a questi elettroni di valenza di essere facilmente promossi a orbitali vuoti che abbracciano l’intero solido, consentendo loro di muoversi liberamente attraverso il solido stesso, spiegando la conduttività dei metalli.

Esempi di elettroni delocalizzati

Pi elettroni di grafite

La grafite è un solido molecolare costituito da strati di atomi di carbonio legati insieme per formare un reticolo esagonale di atomi ibridati sp ² . In ciascuno di questi gusci, l’orbitale pz _di ciascun atomo di carbonio si sovrappone agli orbitali pz _dei tre atomi vicini, formando un sistema di elettroni pi che si estende sull’intera superficie del guscio. L’impilamento strato su strato si traduce in un vasto sistema di elettroni delocalizzati che conferisce alla grafite un’elevata conduttività lungo il piano degli strati.

È vero il contrario per l’altro comune allotropo del carbonio, il diamante. Questo è costituito da una rete tridimensionale di atomi di carbonio con ibridazione sp ³ in cui tutti gli atomi di carbonio formano legami sigma in cui gli elettroni sono perfettamente localizzati, il che rende il diamante uno dei migliori isolanti elettrici conosciuti.

Gli elettroni 3s del sodio

Il sodio è un metallo alcalino che ha un singolo elettrone di valenza nell’orbitale 3s. Sia che consideriamo il legame tra gli atomi di sodio dal punto di vista della teoria del gas di elettroni o dal punto di vista della teoria delle bande, l’elettrone di valenza 3s di ciascun atomo di sodio ha completa libertà di movimento lungo la lunghezza del metallo, rappresentando un esempio di elettroni delocalizzati.

Gli elettroni 10 pi del naftalene

Come il benzene e altri composti organici, gli elettroni pi del naftalene sono delocalizzati e si muovono liberamente lungo la superficie della molecola a 10 atomi di carbonio.

Riferimenti

Chang, R. (2021). Chimica (11a ^ed .). EDUCAZIONE DELLA COLLINA DI MCGRAW.

Elettrone delocalizzato . (nd). ScientificTexts.com. https://wikioes.icu/wiki/delocalized_electron

Ledesma, JM (2019, 11 ottobre). La caratterizzazione strutturale del benzene di Kekulé: un esempio di creatività ed euristica nella costruzione della conoscenza chimica . Unesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/

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

Tubo chimico. (nd). Introduzione al legame metallico: modello del mare di elettroni | Tubo chimico . www.quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introduccion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/

Testi scientifici. (2006, 16 maggio). Teoria delle bande . ScientificTexts.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas