什么是电子密度？ - 化学

的电子密度是它是如何可能的度量来找到在空间中的特定区域的电子; 要么在原子核周围，要么在分子结构内的“邻居”中。

给定点上的电子浓度越高，电子密度就越高，因此，它将与周围环境区分开，并表现出某些解释化学反应性的特征。表示这种概念的一种出色的图形方式是通过静电势图。

资料来源：Manuel Almagro Rivas，通过维基百科

例如，上图显示了S-肉碱对映体的结构及其相应的静电势图。可以观察到由彩虹色组成的标度：红色表示电子密度最高的区域，蓝色表示电子密度低的区域。

当分子从左向右移动时，我们从-CO _2- ^基移向CH ₂ -CHOH-CH ₂骨架，该骨架上的颜色为黄色和绿色，表明电子密度降低。直到基团-N（CH ₃）₃ ⁺，这是电子最贫乏的区域，呈蓝色。

通常，电子密度低的区域（黄色和绿色）是分子中反应最少的区域。

概念

电子密度本质上是物理的，而不是化学的，因为电子不会保持静态，而是从一侧传播到另一侧，从而产生电场。

这些场的变化导致范德华表面（所有球面）的电子密度不同。

S-肉碱的结构用球和棒的模型表示，但是如果用范德华表面表示，则棒会消失，只能观察到一组结块的球（具有相同的颜色）。

电子更有可能在更多的负电性原子周围。然而，在分子结构中可能存在不止一个负电性原子，因此原子团也发挥了自己的感应作用。

这意味着电场变化超过了从鸟瞰观察分子所能预测的范围。也就是说，负电荷或电子密度可能会或多或少地极化。

这也可以用以下方式解释：电荷的分布变得更加均匀。

例如，由于-OH基团具有一个氧原子，因此它吸引了其相邻原子的电子密度；然而，在S-肉碱中，其电子密度的一部分分配给-CO _2- ^基团，而同时使-N（CH ₃）₃ ^+基团具有更大的电子缺陷。

请注意，很难推断出诱导作用是如何作用于复杂分子（例如蛋白质）的。

为了对结构中的电场中的这种差异有直观的了解，使用了静电势图的计算方法。

这些计算包括放置一个正电荷并将其沿分子表面移动；在电子密度较小的地方，将会产生静电排斥，而在排斥程度更大的情况下，蓝色会变得更强烈。

当电子密度较高时，将具有强烈的静电吸引，以红色表示。

计算中考虑了所有结构方面，键的偶极矩，所有高电负性原子引起的感应效应等。结果，您得到了这些色彩鲜艳，视觉上吸引人的表面。

资料来源：Wikimedia Commons

上面是苯分子的静电势图。请注意，由于较少的负电性氢原子，在环的中心具有较高的电子密度，而其“尖端”则呈蓝色。同样，电荷的这种分布是由于苯的芳族特性。

在该图中，还观察到了绿色和黄色，表明接近于贫电子和富电子区域。

这些颜色有其自身的尺度，不同于S-肉碱。因此，它是不正确的基团-CO比较₂ ^-和芳环的中心，两者均由红色他们的地图的颜色表示。

如果它们都保持相同的色标，则苯图上的红色将变成淡橙色。在这种标准化下，可以比较静电势图，从而可以比较各种分子的电子密度。

否则，该图将仅用于知道单个分子的电荷分布。

通过观察静电势的图以及因此具有高和低电子密度的区域，可以预测（尽管并非在所有情况下）分子结构中将发生化学反应的图。

电子密度高的区域能够将其电子“提供”给需要或需要它们的周围物种。这些带负电的物质E ⁺被称为亲电试剂。

因此，亲电子试剂可以与红色表示的基团（-CO _2- ^基团和苯环的中心）发生反应。

当电子密度低的区域与带负电荷的物种或具有自由电子对共享的区域发生反应时；后者被称为亲核试剂。

在-N（CH ₃）₃ ^{+基团的情况下}，其反应方式是使氮原子获得电子（被还原）。

电子在原子中以极大的速度运动，并且可以同时处于多个空间区域。

但是，随着距原子核距离的增加，电子获得电子势能，其概率分布减小。

这意味着原子的电子云没有定义的边界，而是模糊的边界。因此，计算原子半径并不容易。除非有邻居在其原子核的距离上建立差异，否则可以将其一半视为原子半径（r = d / 2）。

原子轨道及其径向和角波功能证明了电子密度如何随距核的距离而变化。