Резонансные структуры
Резонанс возникает, когда одну молекулу или многоатомный ион нельзя полноценно описать единственной структурой Льюиса. Резонансные структуры показывают возможные варианты распределения электронов, а реальная частица представляет собой их единый резонансный гибрид.
Что такое резонанс
Резонансные структуры — это формальные варианты строения одной частицы, отличающиеся расположением неподелённых электронных пар и кратных связей. При этом расположение атомов, порядок их соединения и общее число валентных электронов сохраняются. Варианты соединяют двусторонней стрелкой \(\leftrightarrow\).
Резонансные структуры — формальные варианты строения одной молекулы или многоатомного иона, имеющие одинаковое расположение атомов, но различное распределение валентных электронов.
При переходе от одной резонансной структуры к другой перемещаются только электроны: неподелённые пары и электроны \(\pi\)-связей. Ядра атомов и скелет частицы не перемещаются.
- Атомы в резонансных структурах находятся на тех же местах.
- Общее число валентных электронов сохраняется.
- Меняются положение кратной связи и распределение неподелённых пар.
- Сумма формальных зарядов в каждом варианте равна общему заряду частицы.
- Резонансные структуры описывают одну частицу, а не разные вещества.
Резонансные структуры строят на основе структур Льюиса. Для сравнения вариантов сначала вычисляют формальный заряд.
Алгоритм построения
Резонанс часто встречается у частиц, в которых есть кратная связь рядом с неподелённой парой или несколько одинаковых атомов, между которыми может перемещаться двойная связь. Типичные примеры — \(\mathrm{NO_2^-}\), \(\mathrm{CO_3^{2-}}\) и \(\mathrm{SO_3}\).
- Запишите формулу частицы и её общий заряд.
- Подсчитайте все валентные электроны. Для отрицательного заряда добавьте электроны, для положительного — вычтите.
- Выберите центральный атом. Обычно это менее электроотрицательный атом; водород центральным атомом не бывает.
- Соедините атомы одинарными связями и вычтите электроны, использованные на связях.
- Распределите оставшиеся электроны как неподелённые пары, сначала завершив октеты внешних атомов.
- Если у центрального атома не получился октет, превратите неподелённую пару соседнего атома в дополнительную связь.
- Проверьте формальные заряды и найдите все варианты, получаемые перемещением электронов без перемещения атомов.
Знак «плюс» используют для отрицательного заряда частицы, а знак «минус» — для положительного. После построения схемы сумма формальных зарядов должна совпадать с общим зарядом частицы.
Ищите кратную связь рядом с неподелённой парой или несколько одинаковых атомов, к которым можно перенести двойную связь. Если скелет атомов не меняется, а электроны можно распределить несколькими способами, вероятен резонанс.
Что можно перемещать при переходе от одной резонансной структуры к другой?
Наиболее устойчивое распределение электронов
Резонансные структуры не всегда вносят одинаковый вклад в реальное строение. Наиболее устойчивыми обычно считают варианты, которые лучше распределяют заряд и соблюдают октетное правило.
- У атомов главных подгрупп должен быть полный октет, если нет особой причины для его нарушения.
- Число атомов с формальным зарядом должно быть минимальным.
- Малые по модулю формальные заряды предпочтительнее больших.
- Отрицательный заряд выгоднее размещать на более электроотрицательном атоме.
- Положительный заряд выгоднее размещать на менее электроотрицательном атоме.
В формуле (2) \(FC\) — формальный заряд атома, \(V\) — число валентных электронов свободного атома, \(N\) — число электронов в неподелённых парах данного атома, \(B\) — число электронов во всех его связях.
Наиболее устойчив обычно тот вариант, в котором соблюдены октеты, минимальны формальные заряды и отрицательный заряд расположен на более электроотрицательном атоме. Если варианты равноправны, они вносят одинаковый вклад в резонансный гибрид.
Резонансный гибрид не обязательно совпадает с одной из записанных структур. Например, в карбонат-ионе \(\mathrm{CO_3^{2-}}\) двойная связь может быть изображена у любого из трёх атомов кислорода. Три структуры равноправны, поэтому реальные связи C–O имеют одинаковую среднюю длину, промежуточную между одинарной и двойной. Пространственное расположение атомов рассматривается в теме пространственного строения молекул, а строение кратных связей — в теме сигма- и пи-связей.
Разобранный пример: нитрит-ион
Постройте резонансные структуры нитрит-иона \(\mathrm{NO_2^-}\) и определите наиболее устойчивые варианты.
Оба варианта имеют одинаковые формальные заряды и удовлетворяют октетам. Они равноценны и вносят одинаковый вклад в резонансный гибрид. Нельзя считать, что ион по очереди переходит из одной структуры в другую: реальное распределение электронной плотности симметрично.
Ограничения и частые ошибки
1. Перемещение атомов вместо электронов: это уже другая частица, а не резонанс. 2. Изменение общего числа электронов или заряда. 3. Нарушение октета у внешнего атома без необходимости. 4. Неверный подсчёт валентных электронов у иона. 5. Называние одной структуры реальной, если варианты равноценны. 6. Выбор структуры только по числу связей без проверки формальных зарядов и электроотрицательности.
Для элементов второго периода — C, N, O и F — особенно важно соблюдать октет. В школьных моделях у них не бывает расширенной валентной оболочки. Для элементов третьего периода и далее иногда рассматривают расширенные октеты, но сначала проверяют вариант с обычными октетами и минимальными зарядами.
| Признак | Что проверять |
|---|---|
| Скелет | Атомы и порядок их соединения не меняются |
| Электроны | Перемещаются только неподелённые пары и \(\pi\)-связи |
| Заряд | Сумма формальных зарядов равна заряду частицы |
| Устойчивость | Октеты, минимальные заряды, правильное размещение заряда |
| Равноправие | Одинаковые атомы и одинаковые заряды дают равные вклады |
Связь с другими свойствами веществ
Резонанс влияет на длину и энергию связей, распределение электронной плотности и полярность частиц. Поэтому при изучении энергии химической связи и полярности молекулы нужно помнить: кратность связи в резонансном гибриде может быть дробной, а электронная плотность — распределённой между несколькими связями. Для ионов в кристаллах резонанс помогает объяснять распределение зарядов, хотя свойства всей решётки зависят и от других факторов.
Итоговая проверка
Главное
- Резонансные структуры — варианты распределения электронов одной и той же частицы; атомы не перемещаются.
- Перемещаются только неподелённые пары и электроны \(\pi\)-связей, а общий заряд и число валентных электронов сохраняются.
- Наиболее устойчивы варианты с полными октетами, минимальными формальными зарядами и правильным размещением заряда с учётом электроотрицательности.
- Равноправные резонансные структуры образуют единый резонансный гибрид, а не существуют по очереди как разные молекулы.
- Для решения задания нужно подсчитать электроны, построить скелет, проверить октеты, формальные заряды и все возможные положения кратной связи.