Tabla de Contenidos
Trong hóa học, các electron được định vị là các electron hoặc cặp electron thuộc về một nguyên tử, phân tử hoặc ion không bị giới hạn xoay quanh một nguyên tử hoặc cặp nguyên tử liên kết hóa học, nhưng có một số chuyển động tự do trong phân tử hoặc chất rắn. Nói cách khác, thuật ngữ này đề cập đến các electron không nằm trong một nguyên tử hoặc liên kết cộng hóa trị cụ thể.
Các electron được định vị có thể là các electron liên kết hoặc các electron không liên kết. Chúng cũng có thể có mặt trong cả quỹ đạo nguyên tử và quỹ đạo phân tử. Chìa khóa cho tính linh động của các electron làm phát sinh sự định vị là sự kết hợp của các quỹ đạo tương tự khác nhau giữa các nguyên tử liền kề. Điều này có thể xảy ra từ sự xen phủ bên của các quỹ đạo p trong quá trình hình thành liên kết pi trong liên kết cộng hóa trị đôi và ba , hoặc nó có thể xảy ra từ sự kết hợp của các quỹ đạo nguyên tử của các nguyên tử kim loại trong liên kết kim loại.
Các electron được định vị trong liên kết cộng hóa trị
Theo thuyết liên kết hóa trị, liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự xen phủ các obitan nguyên tử của các electron hóa trị của các nguyên tử liên kết. Khi hai nguyên tử được liên kết cộng hóa trị với nhau bằng cách chia sẻ nhiều hơn một cặp electron, thì cặp electron đầu tiên tạo thành liên kết sigma bằng sự xen phủ phía trước của hai obitan nguyên tử được định hướng dọc theo trục nối cả hai nguyên tử.
Tuy nhiên, cặp electron thứ hai và thứ ba được chia sẻ tương ứng trong liên kết đôi và ba, thực hiện điều này bằng cách xen phủ ngang của các obitan nguyên tử p và pz của hai nguyên tử liền kề, do đó tạo thành liên kết pi. Các quỹ đạo này nằm bên trên và bên dưới trục nối các nguyên tử chứ không trực tiếp trên trục này như trong trường hợp liên kết sigma.
Khi có nhiều hơn một liên kết bội trong một hàng thông qua một chuỗi nguyên tử (được gọi là liên kết liên hợp), các quỹ đạo p tạo thành một phần của một trong các liên kết pi cũng xen phủ với các quỹ đạo p tạo thành liên kết pi tiếp theo, do đó hình thành một liên kết pi duy nhất bao gồm tất cả các nguyên tử liên kết. Các electron liên kết được tìm thấy trong các quỹ đạo này (được gọi là các electron pi) được tự do di chuyển trong toàn bộ liên kết liên hợp, vì vậy chúng được cho là đã được định vị lại.
Định vị và cộng hưởng
Sự định vị của các electron được chứng minh rõ ràng bằng cách vẽ các cấu trúc Lewis khác nhau của một hợp chất hóa học. Trong nhiều trường hợp, cùng một hợp chất có thể được biểu diễn bằng nhiều hơn một cấu trúc Lewis. Mỗi cấu trúc này có thể được chuyển đổi thành các cấu trúc khác thông qua sự chuyển động của các điện tử pi hoặc các cặp điện tử không liên kết thông qua cấu trúc. Quá trình chuyển đổi từ cấu trúc Lewis này sang cấu trúc Lewis khác được gọi là cộng hưởng, và đó là một cách đồ họa để xem sự định vị của các electron.
Trong nhiều trường hợp, bằng chứng thực nghiệm cho thấy cấu trúc thực tế không phải là bất kỳ cấu trúc cộng hưởng riêng lẻ nào, mà là sự kết hợp của tất cả các cấu trúc cộng hưởng trong cái được gọi là cộng hưởng lai. Bằng chứng thực nghiệm cho sự tồn tại của lai cộng hưởng đồng thời là bằng chứng thực nghiệm cho sự định vị của các electron pi trong phân tử.
Biểu diễn của các electron được định vị
Khi chúng ta biểu diễn bằng đồ thị một phân tử có các electron được định vị, chúng ta làm như vậy thông qua cấu trúc cộng hưởng. Như đã đề cập ở trên, cấu trúc này là sự kết hợp của các cấu trúc cộng hưởng riêng lẻ trong đó tất cả các liên kết sigma không thay đổi; tuy nhiên, liên kết pi giữa các nguyên tử khác nhau đôi khi có và đôi khi không, do đó, về trung bình, chúng có thể được biểu diễn ở đâu đó giữa liên kết cộng hóa trị kép và đơn.
Cấu trúc cộng hưởng được giả định đầu tiên là cấu trúc của benzen do Kekulé đề xuất. Trong đó, các electron pi không nằm trong 3 liên kết pi mà chuyển động tự do xung quanh phân tử.
Các electron được định vị trong liên kết kim loại
Kim loại tạo thành nhóm nguyên tố lớn nhất trong bảng tuần hoàn. Chúng được đặc trưng bởi tính dẫn điện cao, điều này cho thấy các electron của các nguyên tử tạo nên kim loại có khả năng chuyển động tự do lớn; nói cách khác, chúng được định vị. Trong trường hợp này, sự định vị của các electron là do đặc tính của liên kết kim loại. Có hai lý thuyết giải thích liên kết kim loại và tính chất của nó: lý thuyết khí điện tử (còn gọi là lý thuyết đám mây điện tử hoặc biển điện tử) và lý thuyết dải.
lý thuyết khí điện tử
Trong thuyết khí điện tử, chất rắn kim loại được coi là một mạng tinh thể được hình thành bởi các cation bị mất điện tử hóa trị, chúng chảy tự do trong các kẽ của mạng tinh thể như thể nó là một chất khí được hình thành bởi các điện tử (điện tử khí) khuếch tán qua môi trường xốp.
Theo lý thuyết này, mỗi nguyên tử kim loại mất đi electron hóa trị hoặc các electron, do đó chúng không còn nằm ở một vị trí duy nhất trong chất rắn. Kết quả là, những electron này được cho là đã được định vị lại.
lý thuyết ban nhạc
Thuyết dải là một ứng dụng cụ thể của thuyết quỹ đạo phân tử đối với liên kết kim loại. Theo thuyết này, kim loại được coi như một phân tử không gian ba chiều được tạo bởi N nguyên tử liên kết với nhau. Liên kết kim loại được giải thích bằng sự chồng chéo của các obitan nguyên tử của từng nguyên tử tạo thành đại phân tử kim loại này, do đó tạo thành một tập hợp N obitan phân tử.
Các quỹ đạo phân tử này có thể là liên kết, phản tăng và không liên kết. Một số lượng lớn các quỹ đạo phân tử được hình thành cuối cùng tạo ra một dải các quỹ đạo có mức năng lượng gần như liên tục giữa chúng.
Sự kết hợp hơn nữa của các quỹ đạo nhóm trống cũng tạo ra các dải quỹ đạo liên kết và phản tăng dần; trong trường hợp kim loại, chúng trùng lặp với các quỹ đạo phân tử được chiếm giữ bởi các electron hóa trị của các nguyên tử tạo nên chất rắn. Sự chồng lấn này cho phép các electron hóa trị này dễ dàng được thăng cấp lên các quỹ đạo trống bao trùm toàn bộ chất rắn, do đó cho phép chúng di chuyển tự do trong chính chất rắn, giải thích tính dẫn điện của kim loại.
Ví dụ về các electron được định vị
Pi điện tử của than chì
Than chì là một chất rắn phân tử được tạo thành từ các lớp nguyên tử carbon liên kết với nhau để tạo thành một mạng lục giác gồm các nguyên tử lai hóa sp 2 . Trong mỗi lớp vỏ này, obitan p z của mỗi nguyên tử carbon trùng lặp với obitan p z của ba nguyên tử lân cận, tạo thành một hệ electron pi bao phủ toàn bộ bề mặt của lớp vỏ. Xếp chồng từng lớp dẫn đến một hệ thống điện tử được định vị rộng rãi mang lại cho than chì độ dẫn điện cao dọc theo mặt phẳng của các lớp.
Điều ngược lại là đúng với dạng thù hình phổ biến khác của carbon, kim cương. Điều này bao gồm một mạng lưới ba chiều các nguyên tử carbon với lai hóa sp 3 , trong đó tất cả các nguyên tử carbon tạo thành liên kết sigma trong đó các electron được định vị hoàn hảo, khiến kim cương trở thành một trong những chất cách điện tốt nhất được biết đến.
Các electron 3s của natri
Natri là một kim loại kiềm có một electron hóa trị duy nhất trong quỹ đạo 3s. Cho dù chúng ta xem liên kết giữa các nguyên tử natri từ quan điểm của lý thuyết khí điện tử hay từ quan điểm của lý thuyết dải, thì electron hóa trị 3s của mỗi nguyên tử natri hoàn toàn tự do di chuyển dọc theo chiều dài của kim loại, là một ví dụ về điện tử định vị.
10 pi electron của naphtalen
Giống như benzen và các hợp chất hữu cơ khác, các electron pi của naphtalen được định vị và di chuyển tự do dọc theo bề mặt của phân tử 10 cacbon.
Người giới thiệu
Chang, R. (2021). Hóa học ( tái bản lần thứ 11 .). GIÁO DỤC MCGRAW HILL.
Điện tử được định vị (nd). Khoa họcTexts.com. https://wikioes.icu/wiki/delocalized_electron
Ledesma, JM (2019, ngày 11 tháng 10). Đặc điểm cấu trúc của benzen của Kekulé: một ví dụ về tính sáng tạo và kinh nghiệm trong việc xây dựng kiến thức hóa học . Unesp. https://www.redalyc.org/journal/2510/251063568018/html/
Hóa học.ES. (nd). Electronic_offshoring . Hóa học.is. https://www.quimica.es/enciclopedia/Deslocalicaci%C3%B3n_electr%C3%B3nica.html
hóa chất. (nd). Giới thiệu về liên kết kim loại: mô hình biển electron | hóa chất . quimitube.com. https://www.quimitube.com/videos/introducion-al-enlace-metalico-modelo-del-mar-de-electrones-o-del-gas-electronico/
văn bản khoa học. (2006, ngày 16 tháng 5). Lý thuyết ban nhạc . Khoa họcTexts.com. https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/teoria-bandas
