9.10: Резонанс

Структура Льюиса нитрит аниона (NО₂⁾ может быть начерчена двумя различными способами, отличаемыми расположением связей N-O и N=O.  

Если ионы нитритов действительно содержат одну и двойную связь, то ожидается, что две длины связи будут разными. Двойная связь между двумя атомами короче (и сильнее), чем одна связь между двумя атомами. Однако эксперименты показывают, что и связи N–O в ^{No2 имеют} одинаковую прочность и длину и идентичны по всем другим свойствам. Невозможно создать единую структуру Льюиса для NО₂^, в которой азот имеет октет, и обе связи эквивалентны.

Вместо этого используется понятие резонанса: Если для молекулы или иона могут быть записаны две или более структуры Льюиса с одинаковым расположением атомов, фактическое распределение электронов является средним значением, показанным различными структурами Льюиса. Фактическое распределение электронов в каждом из азотно-кислородных связей NО₂ ^- это среднее значение двойной связи и одной связи.  

Отдельные структуры Льюиса называются резонансными формами. Фактическую электронную структуру молекулы (среднее от резонансных форм) называют резонансным гибридным из отдельных резонансных форм. Двуглавая стрелка между структурами Льюиса указывает на то, что они являются резонансной формой.

Карбонат анион, CO3₂^-, является вторым примером резонанса.  

• Один атом кислорода должен иметь двойную связь с углеродом, чтобы завершить октет на центральном атоме.  
• Однако все атомы кислорода эквивалентны, и двойная связь может образоваться от любого из трех атомов. Это приводит к появлению трех резонансных форм карбонатного иона.  
• Поскольку можно записать три идентичные резонансные структуры, фактическое расположение электронов в карбонатномионе, как известно, является средним из трех структур.  
• Опять же, эксперименты показывают, что все три связи с-о абсолютно одинаковы.

Всегда помните, что молекула, описанная как резонансный гибрид, никогда не обладает электронной структурой, описанной ни по резонансной форме. Он не колеблется между резонансной формой; скорее, фактическая электронная структура всегда является средним значением, показанным всеми резонансными формами.  

Джордж Веланд, один из пионеров теории резонанса, использовал историческую аналогию для описания взаимосвязи между резонансными формами и резонансными гибридами. Средневековый путешественник, никогда ранее не видел носорога, описал его как гибрид дракона и единорога, потому что он имел много общих с ними свойств. Так же как носорог не является ни драконом, ни единорогом в другое время, резонансный гибрид не является ни его резонансной формой в данный момент времени.

Как и носорог, это реальный объект, существование которого показали экспериментальные данные. У него есть некоторые общие характеристики с его резонансными формами, но сами резонансные формы представляют собой удобные воображаемые изображения (например, единорог и дракон).

Этот текст адаптирован к Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.4: Формальные сборы и резонанс.

Большинство молекул и ионов можно представить с помощью уникальных структур Льюиса. Однако некоторые соединения могут быть представлены множеством одинаково достоверных структур Льюиса. Рассмотрим структуру Льюиса для триоксида серы.

Одинарные связи между каждым кислородом и центральными атомами серы удовлетворяют октету для атомов кислорода. Однако для достижения полного октета атомом серы необходима дополнительная связь между серой и одним из атомов кислорода. Поскольку любой из трех атомов кислорода может образовывать двойную связь с серой, можно выделить три различные структуры Льюиса.

Эти множественные структуры Льюиса называются резонансными структурами, в которых скелетные структуры остаются неизменными, но электроны распределяются по-разному. Все три структуры являются достоверными и эквивалентными представлениями молекулы, но все они не существуют в природе. Фактическая структура не колеблется между резонансными структурами, а является гибридом или средним значением трех структур Льюиса, которые можно измерить в длинах связей.

В сульфите длина одинарной связи сера-кислород составляет 1, 51 ангстрема, в то время как в триоксиде серы длина связи сера-кислород составляет 1, 42 ангстрема. Таким образом, в гибридной молекуле длина связи является промежуточной между одинарной и двойной связями. В гибридных молекулах электроны, участвующие в образовании двойных связей или входящие в неподеленные пары, часто делокализованы по нескольким связям или атомам, что означает, что они не зафиксированы на одном конкретном атоме.

Делокализация снижает потенциальную энергию электронов, что приводит к стабилизации, называемой резонансной стабилизацией. Резонанс наблюдается также для ароматических соединений, таких как бензол. Бензол представляет собой шестичленное углеродное кольцо с одним водородом, связанным с каждым из атомов углерода, и чередующимися одинарными и двойными связями между атомами углерода.

В зависимости от расположения двойных связей углерод-углерод бензол может иметь две резонансные структуры. Напомним, что двойные связи обычно короче одинарных. Однако все углерод-углеродные связи в бензоле имеют одинаковую длину, которая занимает промежуточное положение между углерод-углеродными одинарными и двойными связями.

Бензол, следовательно, существует как резонансный гибрид и может быть представлен в виде шестиугольника с кругом внутри. Круг указывает, что бензол представляет собой смесь двух резонансных структур, и двойные связи не могут быть локализованы на каких-либо двух конкретных атомах углерода.

• 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.