Lewis diagram mnoha molekula však není konzistentní s pozorovanými vlastnostmi molekuly.
Příklad 1: Dusičnanového Iontu,
amonného iontu, podle jeho Lewis diagram, má dva druhy dusíku a kyslíku dluhopisů, jednu dvojnou vazbu a dvě jednoduché vazby, což naznačuje, že jeden dusík-kyslík dluhopisů v dusičnanového iontu je kratší a silnější, než každé z dalších dvou. Také Lewis struktura znamená, s ohledem na formální obvinění, že existují dva typy atomů kyslíku v amonného iontu, jeden formálně neutrální, a každý z dalších dvou nesoucí formální náboj -1. Experimentálně však tři vazby dusík-kyslík v dusičnanovém iontu mají stejnou délku vazby a stejnou energii vazby a tři atomy kyslíku jsou nerozeznatelné. Lewisův diagram nedokáže uspokojivě vysvětlit strukturu a vazbu dusičnanového iontu.
pro dusičnanový iont lze nakreslit dva další Lewisovy diagramy.
Nicméně, žádný z nich jsou konzistentní s pozorovanými vlastnostmi amonného iontu, a proto není správně líčit amonného iontu.
příklad 2: Benzen
Benzen, podle jeho Lewis diagram, má dva typy uhlík-uhlík, tři dvojné vazby a tři samostatné dluhopisy, což naznačuje, že každý ze tří uhlík-uhlík v benzenu je kratší a silnější, než každý z ostatních tří. Experimentálně však šest vazeb uhlík-uhlík v benzenu má stejnou délku vazby a stejnou energii vazby. Lewisův diagram nedokáže uspokojivě vysvětlit strukturu a vazbu benzenu.
atribut molekuly, které klasické Lewis diagram není v souladu s pozorovanou vlastností je, že ostatní platné Lewis diagramy mohou být generovány pro ně. Pro benzen lze nakreslit jeden další Lewisův diagram.
Nicméně, žádný z nich jsou v souladu s pozorovanými vlastnosti benzenu, a proto není správně znázornit benzen.
Rezonanční teorie je pokusem vysvětlit strukturu druhů, jako dusičnanového iontu nebo benzen, ne Lewis diagram, který je konzistentní s pozorovanými vlastnostmi druhů. Hlavní výhodou rezonanční teorie je, že i když je založena na přísné matematické analýze, rezonanční teorie může být úspěšně aplikována s odvoláním na malou nebo žádnou matematiku. Teorie rezonance je vysvětlena níže pomocí dusičnanového iontu jako příkladu.
podle rezonanční teorie není struktura dusičnanového iontu 1 ani 2 ani 3, ale průměr všech tří z nich, vážený stabilitou. Lewisovy diagramy 1, 2 a 3 se nazývají rezonanční formy, rezonanční struktury nebo rezonanční přispěvatelé dusičnanového iontu. Struktura dusičnanového iontu je považována za rezonanční hybrid nebo jednoduše hybrid rezonančních forem 1, 2 a 3. Kdykoli je nutné ukázat strukturu dusičnanového iontu, jsou kresleny rezonanční formy 1, 2 a 3, spojené dvouhlavými šipkami.
tři rezonanční formy amonného iontu, 1, 2, a 3 jsou totožné, takže mají stejnou stabilitu, a proto přispívají k hybridní. Protože je znám přesný rozsah, v jakém každá rezonanční forma dusičnanového iontu přispívá k hybridu, lze snadno určit pořadí vazeb každé vazby dusík-kyslík, jakož i formální náboj na každém atomu kyslíku v hybridu:
Podle teorii rezonance, každého dluhopisu ve dusičnanového iontu je jedna a jedna třetina pouto, které je v souladu s pozorováním, že tři dluhopisů v dusičnanového iontu mají stejné pouto délky a stejné vazebné energie.
Podle teorii rezonance, každý atom kyslíku v dusičnanového iontu má formální náboj -2/3, což ve spojení s faktem, že tři dusíku a kyslíku dluhopisy jsou identické, je v souladu s pozorováním, že tři atomy kyslíku v dusičnanového iontu jsou k nerozeznání.
v každé rezonanční formě dusičnanového iontu jsou dva pi elektrony a jsou sdíleny pouze dvěma atomy. Elektron sdílený pouze dvěma atomy je lokalizován. Tak jsou lokalizovány dva pi elektrony v každé rezonanční formě dusičnanového iontu. Dusičnanů ion, reprezentované hybrid, má dvě pí elektronů:
# elektrony v jednom pí vazba = 2
# elektrony v jednom-třetina pí vazba = 2/3
# elektrony ve třech z nich = 3 x (2/3) = 2
dvě pí elektrony v dusičnanového iontu jsou sdíleny celkem čtyři atomy, jeden atom dusíku a tří atomů kyslíku. Elektron sdílený více než dvěma atomy se říká, že je delokalizován. Dva pi elektrony v dusičnanovém iontu jsou tedy delokalizovány. Přemístění výroby z pi elektronů v dusičnanového iontu vyžaduje, aby čtyři atomy být na stejné rovině, což umožňuje boční překrytí p-orbitaly na ně.
v Případě, že energie z dusičnanového iontu byly vážený průměr energií ze svých tří rezonance forem, stejně jako struktura dusičnanového iontu je váženým průměrem struktury jeho tři rezonanční formy, to by měla být rovna energii jednoho ze tří identických rezonance forem:
Pokud energie hybridu byla stejná jako energie rezonanční formy, vzhledem k tomu, že všechny chemické entity (elementární částice, atomy, molekuly atd.) přirozeně mají tendenci být v nejnižším možném energetickém stavu, pro nitrátový iont by neexistovala žádná výhoda jako hybrid; mohl by jednoduše existovat jako rezonanční forma. Od dusičnanového iontu existuje jako hybrid, ne jako rezonance formě, lze vyvodit, že energie hybrid je nižší, než nějaké rezonance forem.
podle teorie rezonance je pak energie molekuly nižší než energie rezonanční formy s nejnižší energií. Od dusičnanového iontu má nižší energii, a proto je stabilnější než kterýkoli z jeho rezonance forem, dusičnanového iontu je prý stabilizovaný vzorec.
existují dvě mylné představy o teorii rezonance mezi začínajícími studenty, pravděpodobně kvůli doslovnému výkladu slova rezonance. Jsou popsány níže, za použití dusičnanového iontu jako příkladu.
mylná představa 1: Dusičnanů iontovou existuje jako rezonance formulář 1 na chvíli a pak změny rezonance podobě 2 nebo rezonance formuláři 3, který interconvert, nebo se vrátit k 1.
struktura dusičnanového iontu není 1 ani 2, ani 3, ale hybridní a nemění se s časem, pokud probíhá reakce.
Mylná představa 2: vzorek dusičnanu iontů, v daném okamžiku, jeden-třetí iontů existovat jako rezonance formulář č. 1, další třetina jako rezonance formulář 2, a zbývající třetina jako rezonance forma 3.
Ve vzorku dusičnanu iontů, v daném okamžiku všechny ionty mají stejnou strukturu, což je hybrid.
klasické analogie používá k objasnění těchto dvou mylných představ je mula (Morrison, R. T.; Boyd, r. n. Organic Chemistry, fifth edition, Allyn a Bacon: Boston, 1987, str. 373). Biologicky je mezek hybridem koně a osla. To neznamená, že se mula na chvíli podobá koni a pak se změní, aby připomínala osla. Vzhled mezka je kombinací koně a osla a časem se nemění. Neznamená to ani to, že ve stádě se některé mezky podobají koni a jiné Oslu. Ve stádě mají všechny mezky stejný vzhled, což je kombinace koně a osla. Slabinou této analogie je, že koně a osli existují, zatímco rezonanční formy jsou přísně hypotetické. Lepší analogie, citovaná v Morrison a Boyd, je nosorožec. Když jsme viděli nosorožce, dalo by se to popsat jako hybrid draka a jednorožce, dvou tvorů, které neexistují.
pravidla pro kreslení rezonančních forem
1. Rezonanční formy jsou Lewisovy diagramy, které jsou založeny na teorii valenčních vazeb.Musí se proto řídit základními pravidly teorie valenčních vazeb. Tak, vodík nemůže mít více než dva valenční elektrony; Období-dva prvky nemohou mít více než osm valenčních elektronů; prvky v Období tři a níže, může mít více než osm valenčních elektronů. např.: v každé rezonanční formě dusičnanového iontu jsou dva prvky, dusík a kyslík, které jsou periodicky dva prvky. V žádné z rezonančních forem dusičnanového iontu není na žádném z atomů více než osm valenčních elektronů.
2. Všechny rezonanční formy musí mít stejný rámec sigma-vazby, lišící se pouze v místech pi elektronů a nebondovaných valenčních elektronů. např: Všechny tři rezonanční formy dusičnanu iontů mají stejný sigma-vazba rámce:
liší Se od sebe pouze v místech pí elektrony a osamělé páry.
Organičtí chemici stále více porušují toto pravidlo, aby vysvětlili struktury reaktivních meziproduktů jako rezonančně stabilizovaných druhů. např: oxymercuration
Stanovení Relativní Příspěvek Rezonance Formy Hybridního
tři formy dusičnanového iontu jsou shodné, a proto mají stejnou stabilitu. V důsledku toho přispívají stejně k hybridu. Rezonanční formy většiny rezonančně stabilizovaných molekul se od sebe liší, takže nepřispívají stejně k hybridu. Čím stabilnější je rezonanční forma, tím více přispívá k hybridu. Stanovení relativního příspěvku nebo rezonančních forem k hybridu tedy vyžaduje stanovení jejich relativní stability. K určení relativní stability rezonančních forem použijte následující pravidla.
Pravidlo 1:
rezonanční forma, ve které mají všechny atomy oktet valenčních elektronů, je stabilnější než forma, ve které alespoň jeden atom nemá. ego:
V rezonanci podobě 5, všechny atomy mají oktet ve valenční elektrony; v 4, jeden atom, atom uhlíku nesoucí formální náboj +1, není. Rezonanční forma 5 je tedy stabilnější než rezonanční forma 4.
Pravidlo 2:
Vše ostatní je stejné, rezonance formulář, který má formální záporný náboj na více elektronegativní atom je více stabilní než ten, který má formální záporný náboj na méně elektronegativní atom. ego:
V rezonanci formě 6, formální záporný náboj na atomu kyslíku; v 7, to je na atom uhlíku. Kyslík je elektronegativnější než uhlík. Rezonanční forma 6 je tedy stabilnější než rezonanční forma 7.
trend je opačný, pokud jde o formální kladné náboje. Vše ostatní je stejné, rezonance formulář, který má formální kladný náboj na méně elektronegativní atom je více stabilní než ten, který má formální kladný náboj na elektronegativnější atom. ego:
v rezonanční formě 8 je formální kladný náboj na atomu kyslíku; v 9 je na atomu dusíku. Dusík je méně elektronegativní než kyslík, takže rezonanční forma 9 je stabilnější než rezonanční forma 8.
3. Pravidlo:
Vše ostatní je stejné, rezonance formě, která nemá na starosti oddělení, tzv. dipolárních rezonance formě, je více stabilní než ten, který dělá. např.:
rezonanční forma 11 je dipolární rezonanční forma; 10 není. 10 je tedy stabilnější než 11. Toto pravidlo je důsledkem vektorové formy Coloumbova zákona, podle kterého přitahují opačné náboje. Důsledkem je, že, udržet oddělené náboje, energie je zapotřebí, což znamená, že 11 má vyšší energii než 10, takže 10 je více stabilní než 11.
Pravidlo 4:
V dipolárních rezonance formuláře, vše ostatní je stejné, čím větší je vzdálenost mezi odděleny poplatky, více stabilní rezonance formě. např.:
obě rezonanční formy 12 a 13 jsou dipolární rezonanční formy. Vzdálenost mezi oddělenými náboji je větší u 13 (tři vazby)než u 12 (jedna vazba), takže 13 je stabilnější než 12. Toto pravidlo je důsledkem skalární formě Coloumb je zákon, který říká, že přitažlivá síla mezi opačné náboje, je nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti mezi nimi. Energie potřebná k udržení protilehlých nábojů oddělených ve 12 je tedy vyšší než energie v 13, což znamená, že 12 má vyšší energii než 13, takže 13 je stabilnější než 12.
výše uvedená pravidla nemusí vztahovat rezonance zahrnující prvky z Období tři a níže, vzhledem k jejich schopnost pojmout více než osm elektronů ve valenční. např:
dvojnou vazbu ve 14 se skládá z vazba sigma a vazba tvořená překrývají z 2p orbital, přičemž dva elektrony v atomu kyslíku a prázdné 3d orbital v atom síry. Tyto dva orbitaly mají velmi odlišné energie, velikosti a tvary, takže překrývání mezi nimi, známé jako interakce pn–dn, je slabé. V důsledku toho existuje malý charakter dvojné vazby ve vazbě síra-kyslík v hybridu, tj. 15 je hlavní rezonanční forma.
Přispěvatelé a Pravomocí
- Gamini Gunawardena z OChemPal stránky (Utah Valley University)