9.10: Resonancia

La estructura de Lewis de un anión de nitrito (NO₂⁻) puede ser dibujada de dos maneras diferentes, distinguidas por la ubicación de los enlaces N-O y N=O. 

Si los iones de nitrito efectivamente contienen un enlace sencillo y uno doble, se espera que las dos longitudes de enlace sean diferentes. Un enlace doble entre dos átomos es más corto (y más fuerte) que un enlace sencillo entre los mismos dos átomos. Sin embargo, los experimentos muestran que ambos enlaces N–O en NO₂^– tienen la misma fuerza y longitud, y son idénticos en todas las demás propiedades. No es posible escribir una sola estructura de Lewis para el NO₂⁻ en la cual el nitrógeno tenga un octeto y ambos enlaces son equivalentes.

En cambio, se utiliza el concepto de resonancia: Si dos o más estructuras de Lewis con el mismo arreglo de átomos pueden escribirse para una molécula o ión, la distribución real de los electrones es un promedio de lo que muestran las diversas estructuras de Lewis. La distribución real de electrones en cada uno de los enlaces nitrógeno-oxígeno en el NO₂^– es el promedio de un enlace doble y un enlace sencillo. 

Las estructuras de Lewis individuales se llaman formas de resonancia. La estructura electrónica real de la molécula (el promedio de las formas de resonancia) se llama un híbrido de resonancia de las formas de resonancia individuales. Una flecha de dos puntas entre las estructuras de Lewis indica que son formas de resonancia.

El anión carbonato, CO₃₂⁻, constituye un segundo ejemplo de resonancia. 

• Un átomo de oxígeno debe tener un enlace doble con un carbono para completar el octeto en el átomo central. 
• Sin embargo, todos los átomos de oxígeno son equivalentes y el enlace doble podría formarse a partir de cualquiera de los tres átomos. Esto da lugar a tres formas de resonancia del ión carbonato. 
• Dado que se pueden escribir tres estructuras de resonancia idénticas, se sabe que la disposición real de los electrones en el ión carbonato es el promedio de las tres estructuras. 
• Una vez más, los experimentos muestran que los tres enlaces C–O son exactamente los mismos.

Recuerde siempre que una molécula descrita como un híbrido de resonancia nunca posee una estructura electrónica descrita por ninguna de las formas de resonancia. No fluctúa entre las formas de resonancia; más bien, la estructura electrónica real es siempre el promedio de lo que muestran todas las formas de resonancia. 

George Wheland, uno de los pioneros de la teoría de la resonancia, utilizó una analogía histórica para describir la relación entre las formas de resonancia y los híbridos de resonancia. Un viajero medieval, que nunca antes había visto un rinoceronte, lo describió como un híbrido de un dragón y un unicornio porque tenía muchas propiedades en común con ambos. Así como un rinoceronte no es ni un dragón a veces ni un unicornio en otras ocasiones, un híbrido de resonancia no es ninguna de sus formas de resonancia en un momento dado.

Al igual que un rinoceronte, es una entidad real que la evidencia experimental ha demostrado existir. Tiene algunas características en común con sus formas de resonancia, pero las formas de resonancia son imágenes convenientes e imaginarias (como el unicornio y el dragón).

Este texto es adaptado deOpenstax, Química 2e, Sección 7.4: Cargas Formales y Resonancia.

La mayoría de moléculas y iones se pueden representar utilizando estructuras de Lewis únicas. Sin embargo, ciertos compuestos pueden mostrarse con estructuras de Lewis múltiples igualmente válidas. Considere la estructura de Lewis para el trióxido de azufre.

Los enlaces simples entre cada átomo de oxígeno y los del azufre central satisfacen el octeto de átomos de oxígeno. Sin embargo, para alcanzar un octeto completo para el azufre, debe formarse un enlace adicional entre el azufre y uno de los átomos de oxígeno. Dado que cualquiera de los tres oxígenos puede formar el enlace doble con el azufre, se pueden dibujar tres estructuras de Lewis diferentes.

Estas estructuras de Lewis múltiples son llamadas estructuras de resonancia, donde las estructuras esqueléticas siguen siendo las mismas, pero los electrones se distribuyen de manera diferente. Las tres estructuras son representaciones válidas y equivalentes de la molécula. Sin embargo, todas son inexistentes en la naturaleza.

La estructura real no oscila entre las estructuras de resonancia, pero es un híbrido o un promedio de las tres estructuras de Lewis, que se pueden medir en longitudes de enlace. En el sulfito, la longitud de un enlace sencillo azufre-oxígeno es de 1, 51 angstrom, mientras que en el trióxido de azufre, la longitud del enlace azufre-oxígeno es de 1, 42 angstrom. Así, en la molécula híbrida, la longitud del enlace es un intermedio entre enlaces simples y dobles.

En las moléculas híbridas, los electrones que participan en enlaces dobles o pares solitarios son a menudo deslocalizados en enlaces o átomos múltiples, lo que significa que no están estacionarios en un átomo en particular. La deslocalización reduce la energía potencial de los electrones resultando en una estabilización llamada estabilización por resonancia. También se observa resonancia para compuestos aromáticos, como el benceno.

El benceno es un anillo de carbono hexagonal con un hidrógeno unido a cada uno de los átomos de carbono, y con alternancia de enlaces simples y dobles entre los átomos de carbono. Según la ubicación de los enlaces dobles de carbono-carbono, El benceno puede tener dos estructuras de resonancia. Recuerde que los enlaces dobles suelen ser más cortos que los enlaces simples.

Sin embargo, todos los enlaces carbono-carbono del benceno tienen longitudes de enlace iguales, que son intermedias entre los enlaces de carbono-carbono simples y dobles. El benceno, por lo tanto, existe como un híbrido de resonancia y se puede representar como un hexágono con un círculo dentro. El círculo indica que el benceno es una mezcla de dos estructuras de resonancia, y los enlaces dobles no pueden ser localizados en dos átomos de carbono específicos.

• Resonance - A concept in which electrons are delocalized over three or more centres.
• Resonance Structures - Different Lewis structures for the same molecule.
• Resonance Hybrid - Actual structure of the molecule represented as the average of the resonance forms.
• Lewis Structure - A graphical representation of the molecular structure of a compound.
• Delocalization - The spread of electrons over more than two atoms.

• Define Resonance – An understanding of electron delocalization (e.g., resonance in chemistry).
• Contrast Lewis Structure vs Resonance Structures – Identify the difference (e.g., bonding in NO₂^-).
• Explore Resonance of Nitrite Ion – Visualize how resonance structures are drawn (e.g., Lewis structure of NO₂^-).
• Explain Resonance Hybrid – Better understanding of the actual molecular structure.
• Apply Delocalization in Context – Understand how electrons spread over different atoms.

• How does the concept of resonance explain electron delocalization?
• What is resonance hybrid and how is it different from resonance structures?
• What is delocalization and how does it affect molecular structure?

• Students – Understand resonance, how it affects molecular structure, and its importance in chemistry.
• Educators – Get a clear understanding of resonance and its importance in teaching related topics in chemistry.
• Researchers – Important for understanding molecular structures in research work.
• Chemistry Enthusiasts – Offers insights into a complex concept in chemistry and enhances knowledge.