3.1.1: Резонанс

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33305

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Розібратися в понятті резонансу.

Резонансні структури - це сукупність двох або більше структур Льюїса, які в сукупності описують електронний зв'язок одного багатоатомного виду, включаючи дробові зв'язки та дробові заряди. Резонансні структури здатні описувати делокалізовані електрони, які не можуть бути виражені єдиною формулою Льюїса з інтегральним числом ковалентних зв'язків.

Іноді однієї структури Льюїса недостатньо

Іноді, навіть коли розглядаються формальні заряди, зв'язок у деяких молекулах або іоні не може бути описаний єдиною структурою Льюїса. Резонанс - це спосіб опису делокалізованих електронів всередині певних молекул або багатоатомних іонів, де зв'язок не може бути виражений єдиною формулою Льюїса. Молекула або іон з такими делокалізованими електронами представлена декількома сприяючими структурами (також званими резонансними структурами або канонічними формами). Це стосується озону (\(\ce{O3}\)), алотропа кисню з V-подібною структурою та кутом O—O—O 117,5°.

Озон (1\(O_3\))

1. Ми знаємо, що озон має V-подібну структуру, тому один атом O є центральним:

2. Кожен атом O має 6 валентних електронів, загалом 18 валентних електронів.

3. Призначення однієї сполучної пари електронів кожному киснево-кисневому зв'язку дає

Два зв'язку втягуються між центральним киснем і кожного боку киснем.

з 14 електронами, що залишилися.

4. Якщо розмістити три одинокі пари електронів на кожному кінцевому кисні, ми отримаємо

і мають 2 електрони, що залишилися.

5. У цей момент обидва кінцевих атома кисню мають октети електронів. Тому ми розміщуємо останні 2 електрони на центральному атомі:

6. Центральний кисень має всього 6 електронів. Ми повинні перетворити одну самотню пару на термінальному атомі кисню в зв'язуючу пару електронів - але яка з них? Залежно від того, який з них ми виберемо, отримуємо або

Подвійна зв'язок може бути розміщена як зліва, так і справа.

Що правильно? Насправді, ні те, ні інше не є правильним. Обидва передбачають одну одинарну зв'язок O—O та одну подвійну зв'язок O = O. Як ви дізнаєтеся, якби зв'язки були різних типів (одна одинарна і одна подвійна, наприклад), вони мали б різну довжину. Виявляється, однак, що обидві відстані зв'язку O—O однакові, 127,2 pm, що коротше, ніж типовий O—O одинарний зв'язок (148pm) і довший, ніж подвійний зв'язок O = O ₂ (120,7 вечора).

Еквівалентні точкові структури Льюїса, такі як озон, називаються резонансними структурами. Положення атомів однаково в різних резонансних структурах з'єднання, але положення електронів різне. Двоголові стрілки пов'язують різні резонансні структури з'єднання:

Обидві структури Льюїса намальовані подвійною стрілкою між ними.

Двоголова стрілка вказує на те, що фактична електронна структура є середнім показаним, а не те, що молекула коливається між двома структурами.

Коли можна записати більше однієї еквівалентної резонансної структури для молекули або іона, фактичною структурою є середнє значення резонансних структур.

Карбонат (\(CO_3^{2−} \)) Іон

Як і озон, електронна структура карбонатного іона не може бути описана єдиною електронною структурою Льюїса. Однак, на відміну від O ₃, фактична структура СО ₃ ² ⁻ є в середньому трьома резонансними структурами.

1. Оскільки вуглець є найменш електронегативним елементом, ми розміщуємо його в центральному положенні:

Три кисню намальовані у формі трикутника з вуглецем у центрі трикутника.

2. Вуглець має 4 валентних електронів, кожен кисень має 6 валентних електронів, а є ще 2 для заряду −2. Це дає 4 + (3 × 6) + 2 = 24 валентних електронів.

3. Шість електронів використовуються для формування трьох пар зв'язку між атомами кисню та вуглецем:

4. Решта 18 електронів розділимо порівну між трьома атомами кисню, розмістивши по три одиночні пари на кожній і вказавши заряд −2:

Точкова структура Льюїса має центральний вуглець, який пов'язаний з 3 киснем. Кожен кисень має 3 одиночні пари. Молекула знаходиться всередині квадратних дужок і має заряд мінус 2.

5. Для центрального атома не залишається електронів.

6. На даний момент атом вуглецю має лише 6 валентних електронів, тому ми повинні взяти одну одиноку пару з кисню і використовувати її для утворення подвійного зв'язку вуглецево-кисневого. Однак у цьому випадку є три можливі варіанти:

Є три можливих кисню для розміщення подвійного зв'язку в точковій структурі Льюїса.

Як і у випадку з озоном, жодна з цих структур не описує склеювання точно. Кожен прогнозує один вуглець-кисневий подвійний зв'язок і два вуглецево-кисневі одиночні зв'язки, але експериментально всі довжини зв'язку C - O однакові. Ми можемо записати резонансні структури (в даному випадку їх три) для карбонатного іона:

Резонансна структура включає всі три точкові структури Льюїса з подвійними стрілками між ними.

Фактична структура - це середнє значення цих трьох резонансних структур.

Нітрат (\(NO_3^-\)) іон

1. Підрахуйте валентні електрони: (1*5) + (3*6) + 1 (іон) = 24 електронів

2. Намалюйте зв'язки зв'язку:

Три кисню намальовані у формі трикутника з азотом у центрі трикутника.

3. Додайте октетні електрони до атомів, пов'язаних з центральним атомом:

Кожен кисень має 3 одиночні пари.

4. Помістіть будь-які залишки електронів (24-24 = 0) на центральний атом:

5. Чи має центральний атом октет?

НІ, він має 6 електронів
Додайте множинний зв'язок (спочатку спробуйте подвійний зв'язок), щоб побачити, чи може центральний атом досягти октету:

Подвійний зв'язок додається між одним киснем і центральним азотом. Молекула має негативний заряд.

6. Чи має центральний атом октет?

ТАК
Чи можливі резонансні структури? ТАК

Є три резонансні структури.

Примітка: Ми очікуємо, що довжина зв'язку в\(\ce{NO_3^{-}}\) іоні буде дещо коротшою, ніж одна зв'язок.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Benzene

Бензол - звичайний органічний розчинник, який раніше використовувався в бензині; однак він більше не використовується для цієї мети, оскільки зараз він відомий як канцероген. Молекула бензолу (\(\ce{C6H6}\)) складається з правильного шестикутника атомів вуглецю, кожен з яких також пов'язаний з атомом водню. Використовуйте резонансні структури для опису зв'язку в бензолі.

Задано: молекулярна формула та молекулярна геометрія

Запитано: резонансні структури

Стратегія:

Намалюйте структуру бензолу, що ілюструє зв'язані атоми. Потім обчислити кількість валентних електронів, використовуваних на цьому кресленні.
Відніміть це число із загальної кількості валентних електронів в бензолі, а потім знайдіть інші електрони таким чином, щоб кожен атом в структурі досяг октету.
Намалюйте резонансні структури для бензолу.

Рішення:

A Кожен атом водню вносить 1 валентний електрон, а кожен атом вуглецю вносить 4 валентних електронів, загалом (6 × 1) + (6 × 4) = 30 валентних електронів. Якщо розмістити єдину електронну пару зв'язків між кожною парою атомів вуглецю і між кожним вуглецем і атомом водню, ми отримаємо наступне:

Кожен атом вуглецю в цій структурі має лише 6 електронів і має формальний заряд +1, але ми використовували лише 24 з 30 валентних електронів.

B Якщо 6 інших електронів рівномірно розподілені попарно на альтернативних атомах вуглецю, отримаємо наступне:

Три з шести вуглецю мають одну самотню пару. Ці вуглеці є альтернативними вуглецями.

Три атоми вуглецю тепер мають конфігурацію октета і формальний заряд −1, тоді як три атоми вуглецю мають лише 6 електронів і формальний заряд +1. Ми можемо перетворити кожну одиночну пару в зв'язкову електронну пару, яка дає кожному атому октет електронів і формальний заряд 0, шляхом створення трьох подвійних зв'язків C = C.

C Існує, однак, два способи зробити це:

Існує три подвійні зв'язки, які також чергують вуглеці.

Кожна структура має чергуються подвійні та одинарні зв'язки, але експерименти показують, що кожен вуглецево-вуглецевий зв'язок у бензолі ідентичний, причому довжини зв'язку (139,9 вечора) проміжні між тими, що зазвичай зустрічаються для одинарного зв'язку C - C (154 вечора) та подвійного зв'язку C = C (134pm). Ми можемо описати зв'язок у бензолі за допомогою двох резонансних структур, але фактична електронна структура є середньою з двох. Існування множинних резонансних структур для ароматичних вуглеводнів, таких як бензол, часто вказується малюванням або кола, або пунктирними лініями всередині шестикутника:

Вправа\(\PageIndex{1}\): Nitrite Ion

Натрієва сіль нітриту використовується для зняття м'язових спазмів. Намалюйте дві резонансні структури для іона нітриту (NO ₂ ⁻).

Відповідь: Існує подвійний зв'язок між одним киснем і азотом, його можна знайти на лівому кисні або правому кисні.

Резонансні структури особливо поширені в оксоаніоні елементів p-блоку, таких як сульфат і фосфат, і в ароматичних вуглеводнях, таких як бензол і нафталін.

Попередження

Якщо існує кілька розумних резонансних форм для молекули, «фактична електронна структура» молекули, ймовірно, буде проміжною між усіма формами, які ви можете намалювати. Класичний приклад - бензол в прикладі\(\PageIndex{1}\). Можна було б очікувати, що подвійні зв'язки будуть коротшими, ніж одиночні, але якщо одна накладає дві структури, ви бачите, що одна структура має єдиний зв'язок, де інша структура має подвійний зв'язок. Найкращі вимірювання, які ми можемо зробити з бензолу, не показують двох довжин зв'язків - натомість вони показують, що довжина зв'язку є проміжною між двома резонансними структурами.

Резонансні структури - це механізм, який дозволяє нам використовувати всі можливі резонансні структури, щоб спробувати передбачити, якою буде фактична форма молекули. Одиночні облігації, подвійні зв'язки, потрійні зв'язки, +1 заряди, -1 заряди, це наші обмеження в поясненні структур, і справжні форми можуть бути між ними - вуглецево-вуглецевий зв'язок може бути здебільшого одиночним зв'язком з трохи подвійного характеру зв'язку та частковим негативним зарядом, наприклад.

Резюме

Деякі молекули мають дві або більше хімічно еквівалентних електронних структур Льюїса, званих резонансними структурами. Резонанс - це розумова вправа і метод в теорії валентних зв'язків, яка описує делокалізацію електронів всередині молекул. Ці структури написані двоголовою стрілкою між ними, що вказує на те, що жодна з структур Льюїса точно не описує зв'язок, але що фактична структура є середнім показником окремих резонансних структур. Резонансні структури використовуються, коли одна структура Льюїса для однієї молекули не може повністю описати зв'язок, що відбувається між сусідніми атомами щодо емпіричних даних для фактичних довжин зв'язків між цими атомами. Чиста сума дійсних резонансних структур визначається як резонансний гібрид, який представляє загальну делокалізацію електронів всередині молекули. Молекула, яка має кілька резонансних структур, більш стабільна, ніж та з меншою кількістю. Деякі резонансні структури більш сприятливі, ніж інші.