Name: resonance in nitrite and carbonate ions
Uploaded: 2025-05-22T09:05:33.000Z
Duration: 2 min 16 s
Channel: JoVE

Większość cząsteczek i jonów jest reprezentowana przez pojedynczą strukturę Lewisa. Jednak w niektórych związkach niektóre elektrony są zdelokalizowane na wielu wiązaniach lub atomach, a nie zlokalizowane w określonym wiązaniu lub atomie. Związki te można dokładnie odwzorować za pomocą wielu struktur Lewisa.
Rozważ strukturę Lewisa dla trójtlenku siarki. Pojedyncze wiązania między każdym tlenem a centralnymi atomami siarki zaspokajają oktet dla atomów tlenu. Jednak, aby osiągnąć pełny oktet siarki, musi zostać utworzone dodatkowe wiązanie między siarką a jednym z atomów tlenu.
Te wielokrotne struktury Lewisa trójtlenku siarki nazywane są strukturami rezonansowymi lub strukturami przyczyniającymi się. Pozycje przestrzenne wszystkich atomów składowych pozostają takie same; Jednak elektrony walencyjne są rozmieszczone inaczej.
Te strzałki z dwoma grotami mogą być traktowane jako przecinki i nie należy ich mylić ze strukturami rezonansowymi będącymi w równowadze. W tych cząsteczkach rzeczywista struktura jest średnią ważoną lub hybrydą jej struktur rezonansowych.
Struktury rezonansowe są identyfikowane przez "wypychanie elektronów" lub przekształcanie samotnych par w wiązania i odwrotnie, co oznaczono zakrzywionymi strzałkami. Spowoduje to zmapowanie zdelokalizowanych obszarów.
Taka delokalizacja powoduje stabilizację rezonansową - to znaczy cząsteczkę o niższej energii potencjalnej niż jakakolwiek teoretyczna niezlokalizowana struktura.
Jeśli struktura przyczyniająca się do tego ma niższą energię niż inna, bardziej przypomina rzeczywistą strukturę molekularną. Pewne preferencje są używane do oszacowania względnych energii różnych struktur przyczyniających się do tego zjawiska.
Po pierwsze, struktury, w których wszystkie atomy mają wypełnione powłoki walencyjne, są bardziej stabilne. Po drugie, struktury z większą liczbą wiązań kowalencyjnych są bardziej stabilne. Po trzecie, struktury, które minimalizują opłaty formalne, są bardziej stabilne.
Wreszcie, struktury przenoszące ładunki ujemne na większej liczbie atomów elektroujemnych i ładunki dodatnie na mniej elektroujemnych atomach są bardziej stabilne.

struktury rezonansowe i hybrydowe

Resonance and Hybrid Structures

Zgodnie z teorią rezonansu, jeśli dla cząsteczki, jonu lub rodnika można zapisać dwie lub więcej struktur Lewisa o tym samym układzie atomów, rzeczywisty rozkład elektronów jest średnią rozkładu pokazanego przez różne struktury Lewisa.

Struktury rezonansowe i hybrydy rezonansowe

Strukturę Lewisa anionu azotynowego (NO2-) można w rzeczywistości narysować na dwa różne sposoby, rozróżniając lokalizacje wiązań N–O i N=O.


<img alt="Figure1" src="/files/ftp_upload/11684/11684%20PT%20Figure%201.svg" style="text-align: center; height: 50px;">

Jeśli jony azotynowe zawierają wiązanie pojedyncze i podwójne, oczekuje się, że długości tych dwóch wiązań będą różne. Podwójne wiązanie między dwoma atomami jest krótsze (i silniejsze) niż pojedyncze wiązanie pomiędzy tymi samymi dwoma atomami. Jednakże eksperymenty pokazują, że oba wiązania N–O w (NO2-) mają tę samą siłę i długość oraz są identyczne we wszystkich pozostałych właściwościach. Nie jest możliwe napisanie pojedynczej struktury Lewisa dla (NO2-), w której azot ma oktet, a oba wiązania są równoważne.


Zamiast tego stosuje się koncepcję rezonansu: rzeczywisty rozkład elektronów w każdym wiązaniu azot-tlen w (NO2-) jest średnią wiązania podwójnego i wiązania pojedynczego.


Poszczególne struktury Lewisa nazywane są strukturami rezonansowymi. Rzeczywista struktura elektronowa cząsteczki (średnia form rezonansowych) nazywana jest hybrydą rezonansową poszczególnych form rezonansowych. Dwustronna strzałka pomiędzy strukturami Lewisa wskazuje, że są to formy rezonansowe.


<img alt="Figure2" src="/files/ftp_upload/11684/11684%20PT%20Figure%202.svg" style="text-align: center; height: 50px;">

Anion węglanowy, CO32-, stanowi drugi przykład rezonansu.


<img alt="Figure3" src="/files/ftp_upload/11684/11684%20PT%20Figure%203.svg" style="text-align: center; height: 75px;">

<ul style="list-style-type: disc; display: flex; flex-direction: column; gap: 10px; padding: 0 0 0 40px;">
<li>Jeden atom tlenu musi mieć podwójne wiązanie z węglem, aby uzupełnić oktet na atomie centralnym.
</li>
<li>Jednak wszystkie atomy tlenu są równoważne, a wiązanie podwójne może utworzyć się z dowolnego z trzech atomów. Prowadzi to do powstania trzech form rezonansowych jonu węglanowego.
</li>
<li>Ponieważ można zapisać trzy identyczne struktury rezonansowe, wiadomo, że rzeczywiste rozmieszczenie elektronów w jonie węglanowym jest średnią z trzech struktur.
</li>
<li>Ponownie eksperymenty pokazują, że wszystkie trzy wiązania C–O są dokładnie takie same.
</li>
</ul>

Cząsteczka opisana jako hybryda rezonansowa nigdy nie posiada struktury elektronowej opisanej przez którąkolwiek formę rezonansu. Nie waha się pomiędzy formami rezonansu; raczej rzeczywista struktura elektronowa jest zawsze średnią struktury wykazywanej przez wszystkie formy rezonansu.


Ten tekst jest adaptacją <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/7-4-formal-charges-and-resonance">Openstax, Chemistry 2e, Chapter 7.4 Formal Charges and Resonance</a>.

Struktury rezonansowe i hybrydowe

Zgodnie z teorią rezonansu, jeśli dwie lub więcej struktur Lewisa o tym samym układzie atomów można zapisać dla cząsteczki, jonu lub rodnika, ...

Education

JoVE Core

Organic Chemistry

Chemia organiczna

Unit 1

Jednostka 1

Covalent Bonding and Structure

Wiązania kowalencyjne i struktura

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

resonance in nitrite and carbonate ions

Resonance explains why some Lewis structures do not match the measured properties of a molecule or ion. When two or more Lewis structures have the same atom arrangement, the real electron distribution is an average of the structures shown.

The nitrite anion, NO2−, is one example. It can be drawn in two ways, with the N–O and N=O bonds in different places. If nitrite had one single bond and one double bond, the two bond lengths should be different, because a double bond is shorter and stronger than a single bond.

Experiments show that both N–O bonds in NO2− have the same length and strength. They are identical in all other properties as well. A single Lewis structure cannot show this and still give nitrogen an octet, so resonance is used to describe the ion.

The separate Lewis structures are called resonance structures. The true electronic structure is called a resonance hybrid, which is the average of the resonance forms. A double-headed arrow between Lewis structures shows that they are resonance forms. Nitrite does not switch back and forth between them. Its electron distribution is always the average of the forms.

The carbonate anion, CO3 2−, gives a second example. One oxygen must form a double bond to carbon to complete the octet on the central atom, but each oxygen atom is equivalent. That means the double bond can be placed with any one of the three oxygens, creating three resonance forms.

Because the three resonance structures are identical, the electron arrangement in carbonate is the average of all three. Experiments show that all three C–O bonds are exactly the same. A resonance hybrid never has the exact electronic structure of just one resonance form.

Resonance in Nitrite and Carbonate Ions

what is organic chemistry?

Carbon Compounds in Everyday Life

Organic chemistry focuses on carbon compounds called organic compounds. These compounds may come from living things or be made by chemists. Carbon is the main element in them, and it bonds with other carbon atoms as well as hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur. Carbon can form up to four strong bonds. That ability lets carbon atoms build chains and rings of many sizes, shapes, and levels of complexity. Not every carbon-containing substance is classified as organic. Carbonates, cyanides, and...

electronic structure of atoms

Atomic Orbitals and Quantum Numbers

Atomic orbitals and quantum numbers describe how electrons are arranged around the nucleus. An atom has a small, positively charged nucleus with electrons surrounding it. The nucleus contains protons and neutrons, and the quantum mechanical model gives a better picture of this structure than older models. Protons carry a +1 charge and have a mass of 1.0073 amu. Neutrons have no charge and have a mass of 1.0087 amu. Electrons carry a −1 charge and have a mass of 0.00055 amu. The number of...

electron configurations

How Electrons Fill Atomic Orbitals

Electron filling in atoms follows a set order based on orbital energy. The Aufbau principle says each new electron enters the lowest-energy subshell available. The Pauli exclusion principle says no two electrons can share the same set of four quantum numbers. Hund’s rule of maximum multiplicity says electrons stay unpaired in equal-energy orbitals when possible. The order of filling follows the relative energies of the subshells. A common sequence is 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, and so on.

chemical bonds

Chemical Bonds: Types and Strength

Chemical bonds help atoms reach a full valence shell like the nearest noble gas. The main bond types are ionic, covalent, and metallic. Bond energy and bond length also help explain how strong a bond is. An ionic bond forms from electrostatic attraction between cations and anions. In many cases, one atom transfers electrons to another atom, and the ions form from that transfer. Ionic bonds have no defined direction because the attraction spreads evenly through three-dimensional space. A...

polar covalent bonds

Electronegativity in Polar Covalent Bonds

Polar covalent bonds form when atoms share electrons unevenly. This happens in covalent bonds between atoms that have similar, but not identical, tendencies to attract electrons. Nonmetal atoms often make these bonds with other nonmetals. Hydrogen gas, H2, is a simple example of a covalent bond between two hydrogen atoms. A covalent bond begins when two atoms move close enough for their valence orbitals to overlap. In hydrogen, the 1s orbitals overlap and the single electrons on each atom...

lewis structures and formal charges

Lewis Structures, Bonds, and Formal Charge

Lewis structures show how atoms share electrons in covalent bonds and in polyatomic ions. Lewis symbols help draw these structures, and the periodic table helps predict how many valence electrons an atom has and how many bonds it can form to reach an octet. Group 18 elements, such as argon and helium, already have filled electron configurations. They rarely take part in chemical bonding. Atoms in group 17, such as bromine and iodine, need one more electron to reach an octet, so they can form...

vsepr theory

Molecular Shapes from Electron Pairs

Molecular shape can be predicted from the way electron pairs arrange around a central atom. Valence shell electron-pair repulsion theory, or VSEPR theory, uses a Lewis structure to count bonding pairs and lone electron pairs. The main idea is simple: electron pairs spread out as far as possible to reduce repulsion. In a molecule, the valence electrons around the central atom can be bonding pairs or lone pairs. Bonding pairs are found mainly between bonded atoms. Lone pairs stay on one atom and...

molecular geometry and dipole moments

Predicting Shape and Molecular Polarity

Molecular shape and molecular polarity can be predicted with VSEPR theory and dipole moments. Start by writing the Lewis structure of the molecule or polyatomic ion. Then count the electron groups around the central atom. Lone pairs and bonds both count as electron groups, and a single, double, or triple bond each counts as one region of electron density. Use that count to identify the electron-pair geometry. Next, use the number of lone pairs to determine the molecular structure. If more than...

resonance and hybrid structures

Resonance explains why some Lewis structures do not match the measured properties of a molecule or ion. When two or more Lewis structures have the same atom arrangement, the real electron distribution is an average of the structures shown. The nitrite anion, NO2−, is one example. It can be drawn in two ways, with the N–O and N=O bonds in different places. If nitrite had one single bond and one double bond, the two bond lengths should be different, because a double bond is shorter and stronger...

valence bond theory and hybridized orbitals

valence-bond-theory-and-hybridized-orbitals

Covalent Bond Overlap and Orbital Hybridization

Covalent bonds form when orbitals on two atoms overlap and their single electrons pair up. The bond is stronger when the overlap is greater. Maximum overlap happens when the orbitals meet along a direct line between the two nuclei. A sigma bond, or σ bond, is the kind of covalent bond found in a single bond in a Lewis structure. In a σ bond, electron density is concentrated along the internuclear axis. A pi bond, or π bond, forms when two p orbitals overlap side by side. In a π bond, the...

mo theory and covalent bonding

Bond Order and Molecular Orbitals

Molecular orbital theory explains how electrons are arranged in molecules. It treats electron regions in a molecule much like atomic orbitals in an atom. A molecular orbital is the region of space where a valence electron is most likely to be found. Molecular orbitals form through the linear combination of atomic orbitals, or LCAO. When atomic wave functions combine in phase, they create regions with high electron density. When they combine out of phase, they create nodes, or regions with no...

intermolecular forces and physical properties

intermolecular-forces-and-physical-properties

How Intermolecular Forces Affect Matter

Intermolecular forces are the attractions between molecules, and they help explain how matter behaves. These forces influence melting points, boiling points, and whether substances mix with one another. Water has a much higher boiling point than hexane, which shows that water has stronger intermolecular forces. Three main kinds of intermolecular interactions are covered here. They include ion-dipole forces, dipole-dipole interactions, and van der Waals forces, which include London dispersion...

solubility

Why Some Substances Dissolve in Water

Solution formation depends on how solutes and solvents interact. A solution is a homogeneous mixture made of a solvent, which is the larger part, and a solute, which is the smaller part. The physical state of a solution is usually the same as the solvent. Concentration is often described as dilute for a low amount of solute or concentrated for a high amount of solute. When a solute dissolves, its particles are surrounded by solvent species. This process is called solvation. If water is the...

introduction to functional groups

Functional Groups and Organic Molecules

Functional groups are groups of atoms with specific chemical properties that appear within organic molecules. They are sometimes shown as "R." These groups sit along the carbon backbone of macromolecules, which can form chains or rings of carbon atoms. Functional groups help functionalize a compound. That means they can give the molecule different physical and chemical properties. In organic chemistry, this change in group structure can strongly affect how a compound behaves. Common...

overview of advanced functional groups

Advanced Functional Groups in Organic Chemistry

Advanced functional groups are atom clusters in organic molecules that give those molecules specific chemical properties. They are sometimes shown as "R" in formulas. By changing the atoms attached to a carbon skeleton, a functional group can make a compound behave differently in physical and chemical reactions. This topic covers several major classes of organic compounds with advanced functional groups. Aromatic hydrocarbons include benzene. Phenol is another example and is also called...

key terms and concepts

Explore how resonance explains equal bond lengths in nitrite and carbonate ions, and learn the difference between resonance structures and a resonance hybrid.

Resonance in Nitrite and Carbonate Ions | JoVE K12

organic chemistry

JoVE Core Organic Chemistry explains basic concepts of stereochemistry, reactions, and mechanisms using concise and easy-to-understand animated video lessons. Additionally, the scientist-in-action videos demonstrate the application of related concepts in classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Resonance in Nitrite and Carbonate Ions

Description

Transcript

Tags