9.10
Resonantie
De Lewis-structuur van een nitrietanion (NO2−) kan feitelijk op twee verschillende manieren worden getekend, te onderscheiden door de locaties van de…
De meeste moleculen en ionen kunnen worden weergegeven met behulp van unieke Lewis-structuren. Bepaalde verbindingen kunnen echter worden aangetoond door meerdere, even geldige Lewis-structuren. Zoals de Lewis-structuur voor zwaveltrioxide.
De enkele bindingen tussen elk zuurstof en de centrale zwavelatomen voldoen aan het octet voor zuurstofatomen. Om echter een volledig octet voor de zwavel te bereiken, moet een extra binding worden gevormd tussen zwavel en een van de zuurstofatomen. Omdat elk van de drie zuurstofatomen de dubbele binding met zwavel kan vormen, kunnen drie verschillende Lewis-structuren worden getekend.
Deze meervoudige Lewis-structuren worden resonantiestructuren genoemd, waarbij de skeletstructuren hetzelfde blijven, maar elektronen anders worden verdeeld. Alle drie de structuren zijn geldige en gelijkwaardige representaties van het molecuul, maar ze zijn allemaal niet aanwezig in de natuur. De feitelijke structuur oscilleert niet tussen de resonantiestructuren, maar is een hybride of een gemiddelde van de drie Lewis-structuren, die kan worden gemeten in bindingslengtes.
Bij sulfiet is de lengte van een enkelvoudige zwavel-zuurstofbinding 1, 51 ångström, terwijl bij zwaveltrioxide de lengte van de zwavel-zuurstofbinding 1, 42 ångström is. In het hybride molecuul is de bindingslengte dus een intermediair tussen enkele en dubbele bindingen. In hybride moleculen worden elektronen die deelnemen aan dubbele bindingen of vrije paren vaak gedelokaliseerd over meerdere bindingen of atomen, wat betekent dat ze niet stationair zijn op één bepaald atoom.
De delokalisatie vermindert de potentiële energie van elektronen, wat resulteert in stabilisatie die resonantiestabilisatie wordt genoemd. Resonantie wordt ook waargenomen voor aromatische verbindingen zoals benzeen. Benzeen is een hexagonale koolstofring met één waterstof gebonden aan elk van de koolstofatomen en afwisselend enkele en dubbele bindingen tussen de koolstofatomen.
Gebaseerd op de locatie van dubbele koolstof-koolstofbindingen, kan benzeen twee resonantiestructuren hebben. Bedenk dat dubbele bindingen meestal korter zijn dan enkele bindingen. Alle koolstof-koolstofbindingen in benzeen hebben echter dezelfde bindingslengtes, die tussen enkele en dubbele koolstof-koolstofbindingen liggen.
Benzeen bestaat daarom als een resonantiehybride en kan worden weergegeven als een zeshoek met een cirkel erin. De cirkel geeft aan dat benzeen een mengsel is van twee resonantiestructuren en dat de dubbele bindingen niet kunnen worden gelokaliseerd op twee specifieke koolstofatomen.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.