9.10
亜硝酸イオン(NO2−)のルイス構造は、N-O結合とN=O結合の位置によって、実際には2つの異なる方法で描くことができます。
亜硝酸イオンに単結合と二重結合が実際にあるとすれば、2つの結合の長さは異なると考えられます。2つの原子の間の二重結合は、同じ2つの原子の間の単結合よりも短く(そして強く)なり…
ほとんどの分子やイオンは 独特のルイス構造を使って 表現することができます しかしある種の化合物は 同じように有効な 複数のルイス構造で 表すことができます 三酸化硫黄のルイス構造を 考えてみましょう 各酸素と中心の 硫黄原子の間の単結合は 酸素原子のオクテットを 満たしています しかし 硫黄のオクテットを 満たすためには 硫黄と酸素原子の一つとの間に 追加の結合を 形成しなければなりません 3つの酸素原子のいずれかが 硫黄と二重結合を形成できるため 3つの異なるルイス構造を とることができます これらの複数のルイス構造は 共鳴構造と呼ばれ 骨格構造は同じままですが 電子の分布が異なります 3つの構造はすべて分子の 有効で等価な表現ですが 自然界には存在しません 実際の構造は 共鳴構造の間で 振動するのではなく 結合長で測定できる 3つのルイス構造の ハイブリッドまたは平均です 亜硫酸塩では 硫黄-酸素単結合の長さは 1.51オングストロームであり 三酸化硫黄では 硫黄-酸素結合の長さは 1.42オングストロームです このようにハイブリッド分子 において結合長は 単結合と二重結合の 中間の長さになります ハイブリッド分子では 二重結合やローンペアに 参加している電子は 複数の結合や原子に 非局在化していることが多く 特定の原子上に 静止しているわけではありません この非局在化によって 電子の ポテンシャルエネルギーが低下し 共鳴安定化と呼ばれる 安定化が起こります 共鳴はベンゼンなどの 芳香族化合物にも 見られます ベンゼンは六方晶の炭素環で 各炭素原子に 水素が1個ずつ結合しており 炭素原子間には 一重結合と二重結合が 交互に存在しています 炭素-炭素二重結合の 位置に基づいて ベンゼンは2つの 共鳴構造を持つことができます 二重結合は通常 単結合よりも短いことを 思い出してください しかし ベンゼンのすべての 炭素-炭素結合は 炭素-炭素単結合と 炭素-炭素二重結合の 中間である 等しい結合長を 持っています したがって ベンゼンは 共鳴ハイブリッドとして存在し 内部に円を持つ 六角形で表すことができます 円はベンゼンが2つの共鳴構造の 混成体であることを示しており 二重結合は特定の 2つの炭素原子に 局在することはできません
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Q1: What are resonance structures and why do molecules have multiple Lewis representations?
Resonance structures are multiple, equally valid Lewis structures for a single molecule where the skeletal arrangement remains identical but electrons distribute differently. Certain compounds like sulfur trioxide and nitrite ions cannot be accurately represented by a single Lewis structure. Instead, two or more resonance forms are needed to describe the actual electron distribution. These structures are not interchangeable; the molecule exists as a resonance hybrid, an average of all possible structures.
Q2: How does a resonance hybrid differ from the individual resonance structures?
A resonance hybrid is the actual electronic structure of a molecule, representing an average of all resonance forms rather than oscillating between them. Individual resonance structures are convenient, imaginary representations used to describe bonding. The hybrid never possesses the electronic structure of any single resonance form. Like a rhinoceros is neither a dragon nor a unicorn, a resonance hybrid is neither of its resonance forms at any given time, yet it is a real entity confirmed by experimental evidence.
Q3: What does electron delocalization mean in resonance hybrid molecules?
Electron delocalization occurs when electrons participating in double bonds or lone pairs are not stationary on one particular atom but spread across multiple bonds or atoms. This distribution reduces the potential energy of electrons, resulting in resonance stabilization that makes the molecule more stable. In sulfur trioxide, electrons are delocalized across the sulfur-oxygen bonds, creating intermediate bond lengths between single and double bonds rather than distinct bond types.
Q4: Why do resonance hybrid molecules have intermediate bond lengths?
In resonance hybrids, bond lengths are intermediate between single and double bonds because electrons are delocalized across multiple bonding positions. For example, sulfur-oxygen bonds in sulfur trioxide measure 1.42 angstroms, between a typical single bond (1.51 angstroms) and a double bond. Similarly, all carbon-carbon bonds in benzene are equal and intermediate in length, confirming that the molecule exists as a hybrid rather than alternating single and double bonds.
Q5: How is benzene represented as a resonance hybrid?
Benzene is a hexagonal carbon ring with alternating single and double bonds between carbons. However, since all carbon-carbon bonds have equal lengths intermediate between single and double bonds, benzene cannot be represented by either resonance structure alone. Instead, benzene is depicted as a hexagon with a circle inside, indicating it is a blend of two resonance structures where double bonds cannot be localized to specific carbon atoms.
Q6: What experimental evidence confirms that molecules are resonance hybrids rather than oscillating structures?
Experimental measurements of bond lengths and bond strengths provide direct evidence for resonance hybrids. In nitrite ions and carbonate ions, all bonds are experimentally identical in length and strength, even though resonance structures suggest different bond types. If molecules oscillated between resonance forms, bonds would show different properties. Instead, the uniform measurements confirm that molecules exist as stable averages of resonance structures, not as fluctuating entities.
Q7: Why is resonance stabilization important for molecular stability?
Resonance stabilization lowers the potential energy of electrons through delocalization across multiple atoms or bonds, making resonance hybrid molecules more stable than any single resonance structure would predict. This energy reduction explains why molecules like benzene and carbonate ions are particularly stable and unreactive. The delocalized electron distribution provides greater stability than if electrons were confined to specific bonds, as shown in individual Lewis structures.