Risonanza

La struttura di Lewis di un anione nitrito (NO₂⁻) può effettivamente essere disegnata in due modi diversi, distinti dalle posizioni dei legami N-O e N=O.

Se gli ioni nitriti contengono effettivamente un legame singolo e uno doppio, ci si aspetta che le due lunghezze di legame siano diverse. Un doppio legame tra due atomi è più corto (e più forte) di un singolo legame tra gli stessi due atomi. Tuttavia, gli esperimenti mostrano che entrambi i legami N-O in NO₂⁻ hanno la stessa forza e lunghezza, e sono identici in tutte le altre proprietà. Non è possibile scrivere una singola struttura di Lewis per NO₂− in^{cui l’azoto} ha un ottetto ed entrambi i legami sono equivalenti.

Invece, viene usato il concetto di risonanza: se due o più strutture di Lewis con la stessa disposizione degli atomi possono essere scritte per una molecola o uno ione, la distribuzione effettiva degli elettroni è una media di quella mostrata dalle varie strutture di Lewis. La distribuzione effettiva degli elettroni in ciascuno dei legami azoto-ossigeno in NO₂^{− è} la media di un doppio legame e di un singolo legame.

Le singole strutture di Lewis sono chiamate forme di risonanza. L’attuale struttura elettronica della molecola (la media delle forme di risonanza) è chiamata ibrido di risonanza delle singole forme di risonanza. Una freccia a due punte tra le strutture di Lewis indica che sono forme di risonanza.

L’anione carbonato, CO₃²⁻, fornisce un secondo esempio di risonanza.

• Un atomo di ossigeno deve avere un doppio legame con un carbonio per completare l’ottetto sull’atomo centrale.
• Tutti gli atomi di ossigeno, tuttavia, sono equivalenti, e il doppio legame potrebbe formarsi da uno qualsiasi dei tre atomi. Questo dà origine a tre forme di risonanza dello ione carbonato.
• Poiché possono essere scritte tre strutture di risonanza identiche, la disposizione effettiva degli elettroni nello ione carbonato è nota per essere la media delle tre strutture.
• Ancora una volta, gli esperimenti mostrano che tutti e tre i legami C-O sono esattamente gli stessi.

Ricorda sempre che una molecola descritta come un ibrido di risonanza non possiede mai una struttura elettronica descritta da entrambe le forme di risonanza. Non oscilla tra le forme di risonanza; piuttosto, la struttura elettronica effettiva è sempre la media di quella mostrata da tutte le forme di risonanza.

George Wheland, uno dei pionieri della teoria della risonanza, usò un’analogia storica per descrivere la relazione tra forme di risonanza e ibridi di risonanza. Un viaggiatore medievale, non avendo mai visto prima un rinoceronte, lo descrisse come un ibrido di un drago e di un unicorno perché aveva molte proprietà in comune con entrambi. Proprio come un rinoceronte non è né un drago a volte né un unicorno in altri momenti, un ibrido di risonanza non è né delle sue forme di risonanza in un dato momento.

Come un rinoceronte, è una vera entità che le prove sperimentali hanno dimostrato di esistere. Ha alcune caratteristiche in comune con le sue forme di risonanza, ma le forme di risonanza stesse sono immagini convenienti e immaginarie (come l’unicorno e il drago).

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 7.4: Formal Charges and Resonance.