9.10
Структура Льюиса нитрит аниона (NО2) может быть начерчена двумя различными способами, отличаемыми расположением связей N-O и N=O.
Если ионы нитритов д…
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.
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.