Definisjon av delokaliserte elektroner i kjemi

I kjemi er delokaliserte elektroner elektroner eller par av elektroner som tilhører et atom, molekyl eller ion som ikke er begrenset til å rotere rundt et enkelt kjemisk bundet atom eller atompar, men som har en viss bevegelsesfrihet gjennom et molekyl eller et fast stoff. Med andre ord refererer begrepet til elektroner som ikke er lokalisert i et bestemt atom eller kovalent binding.

De delokaliserte elektronene kan enten være bindende elektroner eller ikke-bindende elektroner. De kan også være til stede i både atomorbitaler og molekylære orbitaler. Nøkkelen til mobiliteten til elektroner som gir opphav til delokalisering er kombinasjonen av forskjellige like orbitaler mellom tilstøtende atomer. Dette kan oppstå fra den laterale overlappingen av p-orbitaler under pi- bindingsdannelse i dobbelt- og trippelkovalente bindinger , eller det kan oppstå fra kombinasjonen av atomorbitalene til metallatomene i metallbindingen.

Delokaliserte elektroner i den kovalente bindingen

I følge valensbindingsteorien dannes den kovalente bindingen ved overlapping av atomorbitalene til valenselektronene til de bundne atomene. Når to atomer er kovalent bundet til hverandre ved å dele mer enn ett elektronpar, danner det første elektronparet sigmabindingen ved frontoverlapping av to atomorbitaler orientert langs aksen som forbinder begge atomene.

Imidlertid gjør det andre og tredje elektronparet som er delt i _henholdsvis dobbelt- og trippelbindinger det ved lateral overlapping av p- _og pz -atomorbitalene til to tilstøtende atomer, og danner dermed pi-bindinger. Disse orbitalene er plassert over og under aksen som forbinder atomene og ikke direkte på denne aksen som i tilfellet med sigmabindingen.

Når det er mer enn én multippelbinding på rad gjennom en kjede av atomer (kalt konjugerte bindinger), overlapper p-orbitalene som utgjør en del av en av pi-bindingene også p-orbitalene som danner den neste. pi-bindingen, og danner dermed en enkelt pi-binding som omfatter alle bundne atomer. Bindingselektronene som finnes i disse orbitalene (kalt pi-elektroner) kan bevege seg fritt gjennom hele den konjugerte bindingen, så de sies å være delokalisert.

Delokalisering og resonans

Delokaliseringen av elektronene er tydelig bevist ved å tegne de forskjellige Lewis-strukturene til en kjemisk forbindelse. Ved mange anledninger kan den samme forbindelsen representeres av mer enn én Lewis-struktur. Hver av disse strukturene kan omdannes til de andre gjennom bevegelse av pi-elektroner eller ikke-bindende elektronpar gjennom strukturen. Denne prosessen med transformasjon fra en Lewis-struktur til en annen kalles resonans, og det er en grafisk måte å se delokaliseringen av elektroner på.

I mange tilfeller viser eksperimentelle bevis at den faktiske strukturen ikke er noen av disse individuelle resonansstrukturene, men snarere en kombinasjon av alle resonansstrukturer i det som kalles en resonanshybrid. Eksperimentelle bevis for eksistensen av en resonanshybrid er samtidig eksperimentelle bevis for delokalisering av pi-elektroner i et molekyl.

Representasjon av delokaliserte elektroner

Når vi grafisk representerer et molekyl som har delokaliserte elektroner, gjør vi det gjennom resonansstrukturen. Som nevnt ovenfor er denne strukturen en kombinasjon av de individuelle resonansstrukturene der alle sigmabindinger forblir uendret; Imidlertid er pi-bindingene mellom forskjellige atomer noen ganger der og noen ganger ikke, så i gjennomsnitt kan de representeres som et sted mellom en dobbel og en enkelt kovalent binding.

Den første postulerte resonansstrukturen var strukturen til benzen foreslått av Kekulé. I den var ikke pi-elektronene lokalisert i tre pi-bindinger, men roterte fritt rundt molekylet.

Delokaliserte elektroner i metallbindingen

Metaller utgjør den største gruppen av grunnstoffer i det periodiske systemet. Disse kjennetegnes ved å ha høy elektrisk ledningsevne, noe som viser at elektronene til atomene som utgjør et metall har stor bevegelsesfrihet; med andre ord, de er delokalisert. I dette tilfellet skyldes delokaliseringen av elektronene egenskapene til den metalliske bindingen. Det er to teorier som forklarer den metalliske bindingen og dens egenskaper: elektrongassteorien (også kalt elektronskyen eller elektronhavteorien) og båndteorien.

elektronisk gassteori

I elektrongassteorien betraktes metalliske faste stoffer som et krystallgitter dannet av kationer som har mistet valenselektronene sine, som flyter fritt i mellomrommene i krystallgitteret som om det var en gass dannet av elektroner (en gasselektronisk) som diffunderer gjennom et porøst medium.

I denne teorien mister hvert metallatom sitt valenselektron eller elektroner, slik at de ikke lenger befinner seg på et enkelt sted i det faste stoffet. Som en konsekvens sies disse elektronene å være delokalisert.

bandteori

Båndteori er en spesiell anvendelse av molekylær orbitalteori på metallisk binding. I denne teorien betraktes metallet som et tredimensjonalt molekyl dannet av N-atomer bundet sammen. Den metalliske bindingen forklares ved hjelp av overlappingen av atomorbitalene til hvert av atomene som danner dette metalliske makromolekylet, og danner dermed et sett med N molekylære orbitaler.

Disse molekylære orbitalene kan være bindende, antibindende og ikke-bindende. Det store antallet molekylære orbitaler som dannes ender opp med å gi opphav til et bånd av orbitaler med nesten kontinuerlige energinivåer mellom seg.

Den videre kombinasjonen av tomme pod-orbitaler gir også opphav til bånd med tomme bindings- og antibonding-orbitaler; når det gjelder metaller, overlapper disse med de molekylære orbitalene okkupert av valenselektronene til atomene som utgjør det faste stoffet. Denne overlappingen gjør at disse valenselektronene lett kan forfremmes til tomme orbitaler som spenner over hele det faste stoffet, og lar dem dermed bevege seg fritt gjennom selve det faste stoffet, noe som forklarer ledningsevnen til metaller.

Eksempler på delokaliserte elektroner

Pi-elektroner av grafitt

Grafitt er et molekylært fast stoff som består av lag med karbonatomer bundet sammen for å danne et sekskantet gitter av sp2 ^– hybridiserte atomer . I hvert av disse skallene overlapper pz _– orbitalen til hvert karbonatom med pz _– orbitalene til de tre naboatomene, og danner et pi-elektronsystem som spenner over hele overflaten av skallet. Lag-på-lag-stabling resulterer i et omfattende delokalisert elektronsystem som gir grafitt høy ledningsevne langs lagenes plan.

Det motsatte gjelder for den andre vanlige allotropen av karbon, diamant. Denne består av et tredimensjonalt nettverk av karbonatomer med sp ³ hybridisering der alle karbonatomene danner sigmabindinger der elektronene er perfekt plassert, noe som gjør diamant til en av de beste elektriske isolatorene som er kjent. .

3s elektronene til natrium

Natrium er et alkalimetall som har et enkelt valenselektron i 3s orbital. Enten vi ser på bindingen mellom natriumatomer fra elektrongassteoriens synspunkt eller fra båndteoriens synspunkt, har 3s valenselektronet til hvert natriumatom fullstendig bevegelsesfrihet langs lengden av metallet, som representerer et eksempel på delokaliserte elektroner.

10 pi-elektronene til naftalen

Som benzen og andre organiske forbindelser, er naftalens pi-elektroner delokalisert og beveger seg fritt langs overflaten av 10-karbonmolekylet.

Referanser

Chang, R. (2021). Kjemi (11. ^utgave ). MCGRAW HILL UTDANNING.

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

Ledesma, JM (2019, 11. oktober). Den strukturelle karakteriseringen av Kekulés benzen: et eksempel på kreativitet og heuristikk i konstruksjonen av kjemisk kunnskap . Unesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/

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

Chemtube. (nd). Introduksjon til metallisk binding: modell av havet av elektroner | Chemitube . quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introuccion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/

Vitenskapelige tekster. (2006, 16. mai). Bandteori . ScientificTexts.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas