Resonanz- und Hybridstrukturen

Die meisten Moleküle und Ionen werden durch eine einzige Lewis-Struktur dargestellt. Bei bestimmten Verbindungen sind jedoch einige Elektronen über mehrere Bindungen oder Atome delokalisiert, anstatt auf eine bestimmte Bindung oder ein bestimmtes Atom lokalisiert zu sein. Diese Verbindungen können genau durch mehrere Lewis-Strukturen dargestellt werden.

Betrachten Sie die Lewis-Struktur für Schwefeltrioxid. Die Einfachbindungen zwischen jedem Sauerstoff und den zentralen Schwefelatomen erfüllen das Oktett für die Sauerstoffatome. Um jedoch ein vollständiges Oktett für den Schwefel zu erreichen, muss eine zusätzliche Bindung zwischen Schwefel und einem der Sauerstoffatome ausgebildet werden.

Diese mehrfachen Lewis-Strukturen von Schwefeltrioxid werden als Resonanzstrukturen oder Grenzstrukturen bezeichnet. Die räumlichen Positionen aller beteiligten Atome bleiben gleich; hingegen werden die Valenzelektronen unterschiedlich verteilt.

Diese Doppelpfeile können als Kommas betrachtet werden und sollten nicht damit verwechselt werden, dass sich Resonanzstrukturen im Gleichgewicht befinden. Bei diesen Molekülen entspricht die tatsächliche Struktur dem gewichteten Mittelwert oder einem Hybrid aus ihren Resonanzstrukturen.

Resonanzstrukturen werden durch „Elektronenschieben“ identifiziert, also durch die Umwandlung von freien Elektronenpaaren in Bindungen und umgekehrt, wie durch gekrümmte Pfeile dargestellt. Dies verdeutlicht die delokalisierten Bereiche.

Eine solche Delokalisation führt zur Resonanzstabilisierung, das heißt zu einem Molekül mit einer geringeren potenziellen Energie als die eines beliebigen theoretischen nicht-delokalisierten Strukturmodells.

Wenn eine Grenzstruktur eine niedrigere Energie aufweist als eine andere, ähnelt sie der tatsächlichen molekularen Struktur stärker. Bestimmte Vorzugsregeln werden verwendet, um die relativen Energien verschiedener Grenzstrukturen abzuschätzen.

Zunächst sind Strukturen, in denen alle Atome volle Valenzschalen besitzen, stabiler. Zweitens sind Strukturen mit einer größeren Anzahl kovalenter Bindungen stabiler. Drittens sind Strukturen, die formale Ladungen minimieren, stabiler.

Schließlich sind Strukturen, bei denen negative Ladungen auf elektronegativeren Atomen und positive Ladungen auf weniger elektronegativen Atomen sitzen, stabiler, wenn alle anderen Faktoren gleich sind.