9.10: Mésomérie

La structure de Lewis d'un anion nitrite (NO₂⁻) peut en fait être dessinée de deux façons différentes, qui se distinguent par les localisations des liaisons N-O et N=O.  

Si les ions nitrites contenaient effectivement une liaison simple et une liaison double, les deux longueurs de liaison devraient être différentes. Une liaison double entre deux atomes est plus courte (et plus forte) qu'une liaison simple entre les deux mêmes atomes. Cependant, les expériences montrent que les deux liaisons N–O de NO₂⁻ ont la même force et la même longueur, et elles sont identiques d'après toutes les autres propriétés. Il n'est pas possible d'écrire une seule structure de Lewis pour NO₂⁻ dans laquelle l'azote a un octet et les deux liaisons sont équivalentes.

Au lieu de cela, le concept de mésomérie est utilisé : si deux ou plusieurs structures de Lewis avec la même disposition d'atomes peuvent être écrites pour une molécule ou un ion, la distribution réelle des électrons est une moyenne de celle indiquée par les diverses structures de Lewis. La distribution réelle des électrons dans chacune des liaisons azote-oxygène de NO₂⁻ est la moyenne d'une liaison double et d'une liaison simple.  

Les structures de Lewis individuelles sont appelées des formes de résonance. La structure électronique réelle de la molécule (la moyenne des formes de résonance) est appelée un hybride de résonance des formes de résonance individuelles. Une flèche gauche droite entre les structures de Lewis indique qu'il s'agit de formes de résonance.

L'anion carbonate CO₃²⁻ fournit un second exemple de résonance.  

• Un atome d'oxygène doit avoir une double liaison avec un carbone pour compléter l'octet sur l'atome central.  
• Tous les atomes d'oxygène, cependant, sont équivalents et la liaison double pourrait se former à partir de n'importe lequel des trois atomes. Cela donne lieu à trois formes de résonance de l'ion carbonate.  
• Puisque trois structures de résonance identiques peuvent être écrites, on sait que la disposition réelle des électrons dans l'ion carbonate est la moyenne des trois structures.  
• Encore une fois, les expériences montrent que les trois liaisons C–O sont exactement les mêmes.

Il convient de toujours se rappeler qu'une molécule décrite comme un hybride de résonance ne possède jamais la structure électronique décrite par l'une ou l'autre forme de résonance. Il ne fluctue pas entre les formes de résonance ; la structure électronique réelle est toujours la moyenne de celle indiquée par toutes les formes de résonance.  

George Wheland, l'un des pionniers de la théorie sur la résonance, a utilisé une analogie historique pour décrire la relation entre les formes de résonance et les hybrides de résonance. Un voyageur médiéval, n'ayant jamais vu un rhinocéros auparavant, l'a décrit comme l'hybride d'un dragon et d'une licorne parce qu'il avait beaucoup de propriétés en commun avec les deux. Tout comme un rhinocéros n'est ni un dragon parfois ni une licorne à d'autres moments, un hybride de résonance n'est aucune de ses formes de résonance à un moment donné.

Comme un rhinocéros, c'est une véritable entité et les preuves expérimentales ont montré qu'elle existe. Elle a certaines caractéristiques en commun avec ses formes de résonance, mais les formes de résonance elles-mêmes sont des images pratiques et imaginaires (comme la licorne et le dragon).

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 7.4 : Charges formelles et résonance.

La plupart des molécules et des ions peuvent être représentés en utilisant des structures uniques de Lewis. Cependant, certains composés peuvent être représentés par de multiples structures de Lewis également valides. Considérons la structure de Lewis pour le trioxyde de soufre.

Les liaisons simples entre chaque oxygène et les atomes de soufre centraux satisfont l'octet pour les atomes d'oxygène. Cependant, pour atteindre un octet complet pour le soufre, une liaison supplémentaire doit être formée entre le soufre et l'un des atomes d'oxygène. Étant donné que l'un des trois oxygènes peut former la double liaison avec le soufre, trois structures de Lewis différentes peuvent être dessinées.

Ces multiples Lewis structures sont appelées structures de résonance, où les structures squelettiques restent les mêmes, mais les électrons sont distribués différemment. Les trois structures sont des représentations valides et équivalentes de la molécule, mais toutes sont inexistantes dans la nature. La structure réelle n'oscille pas entre les structures de résonance, mais est un hybride ou une moyenne des trois structures de Lewis, qui peut être mesurée en longueurs de liaison.

Dans le sulfite, la longueur d'une liaison simple soufre-oxygène est de 1, 51 angstrom, tandis que dans le trioxyde de soufre, la longueur de la liaison soufre-oxygène est de 1, 42 angstrom. Ainsi, dans la molécule hybride, la longueur de liaison est un intermédiaire entre les liaisons simples et doubles. Dans les molécules hybrides, les électrons participant à des liaisons doubles ou à des paires solitaires sont souvent délocalisés sur plusieurs liaisons ou atomes, ce qui signifie qu'ils ne sont pas stationnaires sur un atome particulier.

La délocalisation réduit l'énergie potentielle des électrons entraînant une stabilisation appelée stabilisation par résonance. La résonance est également observée pour les composés aromatiques tels que le benzène. Le benzène est un cycle de carbone hexagonal avec un hydrogène lié à chacun des atomes de carbone, et alternant des liaisons simples et doubles entre les atomes de carbone.

Basé sur l'emplacement des doubles liaisons carbone-carbone, le benzène peut avoir deux structures de résonance. Rappelons que les obligations doubles sont généralement plus courtes que les obligations simples. Cependant, toutes les liaisons carbone-carbone dans le benzène ont des longueurs de liaison égales, qui sont intermédiaires entre les liaisons carbone-carbone simples et doubles.

Le benzène, par conséquent, existe comme un hybride de résonance et peut être représenté comme un hexagone avec un cercle à l'intérieur. Le cercle indique que le benzène est un mélange de deux structures de résonance, et les doubles liaisons ne peuvent pas être localisées à deux atomes de carbone spécifiques.

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