9.10: Ressonância

A estrutura de Lewis de um anião nitrito (NO₂⁻) pode ser na verdade desenhada de duas formas diferentes, distinguida pelas localizações das ligações N-O e N=O. 

Se os iões nitrito têm realmente uma ligação simples e uma dupla, espera-se que os dois comprimentos de ligação sejam diferentes. Uma ligação dupla entre dois átomos é mais curta (e mais forte) do que uma única ligação entre os dois átomos iguais. No entanto, experiências mostram que ambas as ligações N–O em NO₂⁻ têm a mesma força e comprimento, e são idênticas em todas as outras propriedades. Não é possível escrever uma única estrutura Lewis para NO₂⁻ na qual o azoto tem um octeto e ambas as ligações são equivalentes.

Em vez disso, é utilizado o conceito de ressonância: se duas ou mais estruturas de Lewis com o mesmo arranjo de átomos podem ser escritas para uma molécula ou ião, a distribuição real de eletrões é uma média da mostrada pelas várias estruturas Lewis. A distribuição real de eletrões em cada ligação de azoto-oxigénio em NO₂⁻ é a média de uma ligação dupla e de uma ligação simples. 

As estruturas individuais de Lewis são chamadas de formas de ressonância. A estrutura eletrónica real da molécula (a média das formas de ressonância) é chamada de híbrido de ressonância das formas individuais de ressonância. Uma seta dupla entre as estruturas de Lewis indica que elas são formas de ressonância.

O anião carbonato, CO₃²⁻, fornece um segundo exemplo de ressonância. 

• Um átomo de oxigénio deve ter uma ligação dupla com um carbono para completar o octeto no átomo central. 
• No entanto, todos os átomos de oxigénio são equivalentes e a ligação dupla pode formar-se a partir de qualquer um dos três átomos. Isto dá origem a três formas de ressonância do ião do carbonato. 
• Como três estruturas de ressonância idênticas podem ser escritas, sabe-se que o arranjo real dos eletrões no ião do carbonato é a média das três estruturas. 
• Mais uma vez, experiências mostram que as três ligações C–O são exactamente iguais.

Lembre-se sempre que uma molécula descrita como um híbrido de ressonância nunca possui uma estrutura eletrónica descrita por qualquer uma das formas de ressonância. Não flutua entre as formas de ressonância; em vez disso, a estrutura eletrónica real é sempre a média daquela mostrada por todas as formas de ressonância. 

George Wheland, um dos pioneiros da teoria da ressonância, usou uma analogia histórica para descrever a relação entre as formas de ressonância e os híbridos de ressonância. Um viajante medieval, nunca antes tendo visto um rinoceronte, descreveu-o como um híbrido de um dragão e um unicórnio porque tinha muitas propriedades em comum com ambos. Assim como um rinoceronte não é nem um dragão algumas vezes, nem um unicórnio de outras vezes, um híbrido de ressonância não é nenhuma das suas formas de ressonância em um dado momento.

Como um rinoceronte, é uma entidade real que a evidência experimental mostrou existir. Tem algumas características em comum com as suas formas de ressonância, mas as formas de ressonância por si são imagens convenientes e imaginárias (como o unicórnio e o dragão).

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 7.4: Formal Charges and Resonance.

A maioria das moléculas e íons podem ser representados utilizando estruturas únicas de Lewis. No entanto, certos compostos podem ser mostrado por múltiplas estruturas Lewis, igualmente válidas. Considere a estrutura de Lewis para o trióxido de enxofre.

As ligações únicas entre cada oxigênio e o enxofre central átomos satisfazem o octeto para os átomos de oxigênio. No entanto, para alcançar um octeto completo para o enxofre, deve ser formada uma ligação adicional entre o enxofre e um dos átomos de oxigênio. Uma vez que qualquer um dos três agentes oxigenados podem formar a dupla ligação com enxofre, três estruturas diferentes de Lewis podem ser desenhadas.

Estas múltiplas estruturas Lewis são chamadas estruturas de ressonância, onde as estruturas esqueléticas permanecem as mesmas, mas os elétrons são distribuídos de forma diferente. Todas as três estruturas são válidas e representações equivalentes da molécula, mas todas são inexistentes na natureza. A estrutura real não oscila entre as ressonâncias mas é um híbrido ou uma média das três estruturas Lewis que podem ser medidas em comprimentos de ligação.

Em sulfito, o comprimento de uma única ligação de enxofre-oxigênio é de 1, 51 angstrom, enquanto que no trióxido de enxofre, o comprimento da ligação enxofre-oxigênio é de 1, 42 angstrom. Assim, na molécula híbrida, o comprimento da ligação é um intermediário entre ligações simples e duplas. Em moléculas híbridas, os elétrons participam em ligações duplas ou pares solitários são frequentemente deslocalizadas sobre múltiplos ligações ou átomos, o que significa que não estão estacionários num átomo em particular.

A deslocalização reduz a energia potencial de elétrons resultando em estabilização chamada estabilização por ressonância. A ressonância também é observada para compostos aromáticos como o benzeno. O benzeno é um anel de carbono hexagonal com um hidrogênio ligado a cada um dos átomos de carbono, e alternando ligações simples e duplas entre o carbono átomos.

Com base na localização das ligações duplas de carbono-carbono, O benzeno pode ter duas estruturas de ressonância. Recorde que as ligações duplas são normalmente mais curtas do que as obrigações individuais. No entanto, todas as ligações de carbono-carbono em benzeno têm comprimentos de ligação iguais, que são intermediários entre carbono-carbono simples e duplas ligações.

O benzeno, portanto, possui como um híbrido de ressonância e pode ser representado como um hexágono com um círculo no interior. O círculo indica que o benzeno é uma mistura de dois estruturas de ressonância, e as duplas ligações não podem ser localizadas em qualquer dois 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.