Tabla de Contenidos
W chemii zdelokalizowane elektrony to elektrony lub pary elektronów należące do atomu, cząsteczki lub jonu, które nie ograniczają się do obracania się wokół pojedynczego chemicznie związanego atomu lub pary atomów, ale mają pewną swobodę ruchu przez cząsteczkę lub ciało stałe. Innymi słowy, termin ten odnosi się do elektronów, które nie znajdują się w określonym atomie lub wiązaniu kowalencyjnym.
Zdelokalizowane elektrony mogą być elektronami wiążącymi lub niewiążącymi. Mogą być również obecne zarówno na orbitali atomowych , jak i orbitali molekularnych. Kluczem do ruchliwości elektronów, która powoduje delokalizację, jest połączenie różnych podobnych orbitali między sąsiednimi atomami. Może to nastąpić w wyniku bocznego nakładania się orbitali p podczas tworzenia wiązania pi w podwójnych i potrójnych wiązaniach kowalencyjnych lub może wystąpić w wyniku połączenia orbitali atomowych atomów metalu w wiązaniu metalu.
Zdelokalizowane elektrony w wiązaniu kowalencyjnym
Zgodnie z teorią wiązań walencyjnych wiązanie kowalencyjne powstaje w wyniku nakładania się orbitali atomowych elektronów walencyjnych związanych atomów. Kiedy dwa atomy są ze sobą związane kowalencyjnie, dzieląc więcej niż jedną parę elektronów, pierwsza para elektronów tworzy wiązanie sigma przez czołowe nakładanie się dwóch orbitali atomowych zorientowanych wzdłuż osi łączącej oba atomy.
Jednak druga i trzecia para elektronów, które są wspólne odpowiednio w wiązaniach podwójnych i potrójnych, robią to przez boczne nakładanie się orbitali atomowych p i p z dwóch sąsiednich atomów, tworząc w ten sposób wiązania pi. Orbitale te znajdują się powyżej i poniżej osi łączącej atomy, a nie bezpośrednio na tej osi, jak w przypadku wiązania sigma.
Gdy istnieje więcej niż jedno wiązanie wielokrotne z rzędu w łańcuchu atomów (tzw. wiązania sprzężone), orbitale p, które tworzą część jednego z wiązań pi, również nakładają się na orbitale p, które tworzą następne wiązanie pi, tworząc w ten sposób pojedyncze wiązanie pi, które obejmuje wszystkie związane atomy. Wiążące elektrony znajdujące się na tych orbitali (zwane elektronami pi) mogą swobodnie poruszać się po całym sprzężonym wiązaniu, więc mówi się, że są zdelokalizowane.
Delokalizacja i rezonans
Delokalizacja elektronów jest wyraźnie potwierdzona przez narysowanie różnych struktur Lewisa związku chemicznego. W wielu przypadkach ten sam związek może być reprezentowany przez więcej niż jedną strukturę Lewisa. Każda z tych struktur może zostać przekształcona w inne poprzez ruch elektronów pi lub niezwiązanych par elektronów przez strukturę. Ten proces transformacji z jednej struktury Lewisa do drugiej nazywa się rezonansem i jest graficznym sposobem postrzegania delokalizacji elektronów.
W wielu przypadkach dowody eksperymentalne pokazują, że rzeczywista struktura nie jest żadną z tych pojedynczych struktur rezonansowych, ale raczej kombinacją wszystkich struktur rezonansowych w tak zwaną hybrydę rezonansową. Dowody eksperymentalne na istnienie hybrydy rezonansowej są jednocześnie dowodami eksperymentalnymi na delokalizację elektronów pi w cząsteczce.
Reprezentacja zdelokalizowanych elektronów
Kiedy przedstawiamy graficznie cząsteczkę , która ma zdelokalizowane elektrony, robimy to poprzez strukturę rezonansową. Jak wspomniano powyżej, ta struktura jest kombinacją poszczególnych struktur rezonansowych, w których wszystkie wiązania sigma pozostają niezmienione; jednak wiązania pi między różnymi atomami czasami występują, a czasami nie, więc średnio można je przedstawić jako coś pomiędzy podwójnym a pojedynczym wiązaniem kowalencyjnym.
Pierwszą postulowaną strukturą rezonansową była struktura benzenu zaproponowana przez Kekulé. W nim elektrony pi nie znajdowały się w trzech wiązaniach pi, ale swobodnie obracały się wokół cząsteczki.
Zdelokalizowane elektrony w wiązaniu metalicznym
Metale stanowią największą grupę pierwiastków w układzie okresowym. Charakteryzują się one wysoką przewodnością elektryczną, co pokazuje, że elektrony atomów tworzących metal mają dużą swobodę ruchu; innymi słowy, są zdelokalizowane. W tym przypadku delokalizacja elektronów wynika z właściwości wiązania metalicznego. Istnieją dwie teorie, które wyjaśniają wiązanie metaliczne i jego właściwości: teoria gazu elektronowego (zwana także teorią chmury elektronowej lub morza elektronowego) oraz teoria pasmowa.
elektroniczna teoria gazów
W teorii gazu elektronowego ciała stałe metaliczne są uważane za sieć krystaliczną utworzoną przez kationy, które utraciły swoje elektrony walencyjne, które swobodnie przepływają w szczelinach sieci krystalicznej, jak gdyby był to gaz utworzony przez elektrony (elektroniczny gaz), który dyfunduje przez porowaty ośrodek.
W tej teorii każdy atom metalu traci swój elektron lub elektrony walencyjne, tak że nie znajdują się one już w jednym miejscu w ciele stałym. W konsekwencji mówi się, że te elektrony są zdelokalizowane.
teoria pasm
Teoria pasm to szczególne zastosowanie teorii orbitali molekularnych do wiązań metalicznych. W tej teorii metal jest uważany za trójwymiarową cząsteczkę utworzoną przez połączone ze sobą atomy N. Wiązanie metaliczne jest wyjaśnione za pomocą nakładania się orbitali atomowych każdego z atomów tworzących tę metaliczną makrocząsteczkę, tworząc w ten sposób zestaw N orbitali molekularnych.
Te orbitale molekularne mogą być wiążące, antywiążące i niewiążące. Duża liczba utworzonych orbitali molekularnych prowadzi do powstania pasma orbitali z prawie ciągłymi poziomami energii między nimi.
Dalsza kombinacja pustych orbitali strąkowych również prowadzi do powstania pasm pustych orbitali wiążących i antywiążących; w przypadku metali nakładają się one na orbitale molekularne zajmowane przez elektrony walencyjne atomów tworzących ciało stałe. To nakładanie się umożliwia łatwe promowanie tych elektronów walencyjnych do pustych orbitali, które obejmują całą bryłę, umożliwiając im w ten sposób swobodne przemieszczanie się przez samą bryłę, co wyjaśnia przewodnictwo metali.
Przykłady elektronów zdelokalizowanych
Pi elektrony grafitu
Grafit jest cząsteczką stałą złożoną z warstw atomów węgla połączonych ze sobą w celu utworzenia heksagonalnej sieci atomów zhybrydyzowanych sp 2 . W każdej z tych powłok orbital pz każdego atomu węgla pokrywa się z orbitalem pz trzech sąsiednich atomów, tworząc układ elektronów pi obejmujący całą powierzchnię powłoki. Układanie warstw na warstwach skutkuje rozległym zdelokalizowanym systemem elektronów, który zapewnia grafit o wysokiej przewodności wzdłuż płaszczyzny warstw.
Inaczej jest w przypadku innego wspólnego alotropu węgla, diamentu. Składa się on z trójwymiarowej sieci atomów węgla z hybrydyzacją sp 3 , w której wszystkie atomy węgla tworzą wiązania sigma, w których elektrony są doskonale rozmieszczone, co czyni diament jednym z najlepszych znanych izolatorów elektrycznych.
Elektrony 3s sodu
Sód jest metalem alkalicznym, który ma pojedynczy elektron walencyjny na orbicie 3s. Niezależnie od tego, czy patrzymy na wiązanie między atomami sodu z punktu widzenia teorii gazu elektronowego, czy z punktu widzenia teorii pasmowej, elektron walencyjny 3s każdego atomu sodu ma całkowitą swobodę ruchu wzdłuż długości metalu, co stanowi przykład zdelokalizowane elektrony.
10 elektronów pi naftalenu
Podobnie jak benzen i inne związki organiczne, elektrony pi naftalenu są zdelokalizowane i poruszają się swobodnie po powierzchni 10-węglowej cząsteczki.
Bibliografia
Chang, R. (2021). Chemia ( wyd . 11 ). EDUKACJA MCGRAW HILL.
Zdelokalizowany elektron . (nd). ScientificTexts.com. https://wikioes.icu/wiki/delocalized_electron
Ledesma, JM (2019, 11 października). Charakterystyka strukturalna benzenu Kekulégo: przykład kreatywności i heurystyki w budowaniu wiedzy chemicznej . niesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/
Chemia.ES. (nd). Offshoring_elektroniczny . Chemia.is. https://www.quimica.es/enciclopedia/Deslocalicaci%C3%B3n_electr%C3%B3nica.html
Chemtuba. (nd). Wprowadzenie do wiązań metalicznych: model morza elektronów | Chemitube . quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introduccion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/
Teksty naukowe. (2006, 16 maja). Teoria pasm . ScientificTexts.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas
