Definiția electronilor delocalizati în chimie

În chimie, electronii delocalizați sunt electroni sau perechi de electroni aparținând unui atom, moleculă sau ion care nu se limitează la rotirea în jurul unui singur atom legat chimic sau a unei perechi de atomi, dar au o oarecare libertate de mișcare printr-o moleculă sau un solid. Cu alte cuvinte, termenul se referă la electroni care nu sunt localizați într-un anumit atom sau într-o legătură covalentă.

Electronii delocalizați pot fi fie electroni de legătură, fie electroni nelegatori. Ele pot fi prezente atât în ​​orbitalii atomici , cât și în orbitalii moleculari. Cheia mobilității electronilor care dă naștere delocalizării este combinația de diferiți orbitali similari între atomi adiacenți. Acest lucru poate apărea din suprapunerea laterală a orbitalilor p în timpul formării legăturilor pi în legături covalente duble și triple sau poate apărea din combinația orbitalilor atomici ai atomilor de metal din legătura metalică.

Electroni delocalizați în legătura covalentă

Conform teoriei legăturii de valență, legătura covalentă se formează prin suprapunerea orbitalilor atomici ai electronilor de valență ai atomilor legați. Când doi atomi sunt legați covalent unul de celălalt, împărțind mai mult de o pereche de electroni, prima pereche de electroni formează legătura sigma prin suprapunerea frontală a doi orbitali atomici orientați de-a lungul axei care unește ambii atomi.

Cu toate acestea, a doua și a treia pereche de electroni care sunt împărțite în legături duble și, respectiv, triple, fac acest lucru prin suprapunerea laterală a orbitalilor atomici p _și p _z ai doi atomi adiacenți, formând astfel legături pi. Acești orbitali sunt localizați deasupra și sub axa care unește atomii și nu direct pe această axă ca în cazul legăturii sigma.

Când există mai mult de o legătură multiplă la rând printr-un lanț de atomi (numite legături conjugate), orbitalii p care fac parte dintr-una dintre legăturile pi se suprapun și cu orbitalii p care formează următoarea legătură pi, formând astfel o singură legătură pi care cuprinde toți atomii legați. Electronii de legătură găsiți în acești orbitali (numiți electroni pi) sunt liberi să se miște pe întreaga legătură conjugată, așa că se spune că sunt delocalizați.

Delocalizare și rezonanță

Delocalizarea electronilor este evidentiata in mod clar prin desenarea diferitelor structuri Lewis ale unui compus chimic. În multe ocazii, același compus poate fi reprezentat de mai multe structuri Lewis. Fiecare dintre aceste structuri poate fi convertită în celelalte prin mișcarea electronilor pi sau a perechilor de electroni nelegați prin structură. Acest proces de transformare de la o structură Lewis la alta se numește rezonanță și este un mod grafic de a vedea delocalizarea electronilor.

În multe cazuri, dovezile experimentale arată că structura reală nu este nici una dintre aceste structuri de rezonanță individuale, ci mai degrabă o combinație a tuturor structurilor de rezonanță în ceea ce se numește un hibrid de rezonanță. Dovezile experimentale pentru existența unui hibrid de rezonanță sunt în același timp dovezi experimentale pentru delocalizarea electronilor pi într-o moleculă.

Reprezentarea electronilor delocalizați

Când reprezentăm grafic o moleculă care are electroni delocalizați, facem acest lucru prin structura de rezonanță. După cum sa menționat mai sus, această structură este o combinație a structurilor de rezonanță individuale în care toate legăturile sigma rămân neschimbate; totuși, legăturile pi dintre diferiți atomi există uneori și alteori nu, așa că, în medie, ele pot fi reprezentate undeva între o legătură covalentă dublă și una simplă.

Prima structură de rezonanță postulată a fost structura benzenului propusă de Kekulé. În ea, electronii pi nu erau localizați în trei legături pi, ci se roteau liber în jurul moleculei.

Electroni delocalizați în legătura metalică

Metalele alcătuiesc cel mai mare grup de elemente din tabelul periodic. Acestea se caracterizează prin faptul că au o conductivitate electrică ridicată, ceea ce arată că electronii atomilor care alcătuiesc un metal au o mare libertate de mișcare; cu alte cuvinte, sunt delocalizate. În acest caz, delocalizarea electronilor se datorează caracteristicilor legăturii metalice. Există două teorii care explică legătura metalică și proprietățile ei: teoria gazului de electroni (numită și teoria norului de electroni sau teoria mării de electroni) și teoria benzilor.

teoria gazelor electronice

În teoria electron-gazului, solidele metalice sunt considerate ca o rețea cristalină formată din cationi care și-au pierdut electronii de valență, care curg liber în interstițiile rețelei cristaline ca și cum ar fi un gaz format din electroni (un gaz electronic) care difuzează. printr-un mediu poros.

În această teorie, fiecare atom metalic își pierde electronul sau electronii de valență, astfel încât aceștia nu mai sunt localizați într-un singur loc în solid. În consecință, se spune că acești electroni sunt delocalizați.

teoria benzilor

Teoria benzilor este o aplicație specială a teoriei orbitalelor moleculare la legăturile metalice. În această teorie, metalul este considerat ca o moleculă tridimensională formată din atomi de N legați împreună. Legătura metalică se explică prin suprapunerea orbitalilor atomici ai fiecăruia dintre atomii care formează această macromoleculă metalică, formând astfel un set de N orbitali moleculari.

Acești orbitali moleculari pot fi legatori, antilegatori și nelegatori. Numărul mare de orbitali moleculari care se formează ajung să dea naștere unei benzi de orbitali cu niveluri de energie aproape continue între ei.

Combinația ulterioară de orbitali de pod goală dă, de asemenea, naștere la benzi de orbitali de legare și antilegare goale; în cazul metalelor, acestea se suprapun cu orbitalii moleculari ocupați de electronii de valență ai atomilor care alcătuiesc solidul. Această suprapunere permite acestor electroni de valență să fie promovați cu ușurință la orbitalii gol care se întind pe întregul solid, permițându-le astfel să se miște liber prin solidul însuși, explicând conductivitatea metalelor.

Exemple de electroni delocalizați

Electroni Pi ai grafitului

Grafitul este un solid molecular format din straturi de atomi de carbon legați împreună pentru a forma o rețea hexagonală de atomi sp ² hibridizați . În fiecare dintre aceste învelișuri, orbitalul p _z al fiecărui atom de carbon se suprapune cu orbitalii p _z ai celor trei atomi învecinați, formând un sistem de electroni pi care se întinde pe întreaga suprafață a învelișului. Stivuirea strat-pe-strat are ca rezultat un sistem de electroni delocalizat extins care conferă grafitului o conductivitate ridicată de-a lungul planului straturilor.

Opusul este valabil pentru celălalt alotrop comun al carbonului, diamantul. Aceasta constă într-o rețea tridimensională de atomi de carbon cu hibridizare sp ³ în care toți atomii de carbon formează legături sigma în care electronii sunt localizați perfect, ceea ce face ca diamantul să fie unul dintre cei mai buni izolatori electrici cunoscuți.

Electronii 3s ai sodiului

Sodiul este un metal alcalin care are un singur electron de valență în orbitalul 3s. Indiferent dacă privim legătura dintre atomii de sodiu din punctul de vedere al teoriei electronilor gazului sau din punctul de vedere al teoriei benzilor, electronul de valență 3s al fiecărui atom de sodiu are libertate completă de mișcare pe lungimea metalului, reprezentând un exemplu de electroni delocalizați.

Cei 10 electroni pi ai naftalinei

La fel ca benzenul și alți compuși organici, electronii pi ai naftalenei sunt delocalizați și se mișcă liber de-a lungul suprafeței moleculei cu 10 atomi de carbon.

Referințe

Chang, R. (2021). Chimie ( ^ed . a 11-a). MCGRAW HILL EDUCAȚIE.

Electron delocalizat . (nd). ScientificTexts.com. https://wikioes.icu/wiki/delocalized_electron

Ledesma, JM (2019, 11 octombrie). Caracterizarea structurală a benzenului lui Kekulé: un exemplu de creativitate și euristică în construcția cunoștințelor chimice . Unesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/

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

Chemtube. (nd). Introducere în legarea metalică: modelul mării de electroni | Chemitube . quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introduccion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/

Texte științifice. (2006, 16 mai). Teoria benzilor . ScientificTexts.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas