Резонансные структуры: что это и зачем

Когда одной формулы мало

Изогнутые стрелки из урока 15 описывают не только реакции. Бывают частицы, электроны которых распределены так, что одной формулой Льюиса их не изобразить. Правила из урока 1 дают для ацетат-иона одну формулу: одна связь C–O двойная, другая одинарная. Опыт показывает другое: обе связи одинаковы (127 пм) — длиннее двойной (122 пм) и короче одинарной (143 пм). Одной формулы мало — нужны резонансные структуры, и рисуют их стрелками (урок 15).

Как понять, что частице нужны резонансные структуры

1. Найдите π-связи, неподелённые пары, заряды и неспаренные электроны.
2. Посмотрите на соседа: если рядом с π-связью есть пара, другая π-связь, катионный центр или неспаренный электрон — электроны могут перемещаться.
3. Нарисуйте вторую структуру, переместив только электроны. Атомы остаются на местах.

Примеры

1. Ацетат-ион \(\ce{CH3COO-}\). Пара кислорода с минусом рядом с π-связью C=O: две одинаковые структуры, заряд то на одном, то на другом кислороде.

2. Аллил-катион \(\ce{CH2=CH-CH2+}\). π-связь рядом с катионным центром: плюс на обоих концевых атомах.

3. Бензол \(\ce{C6H6}\). Три π-связи в кольце — две структуры Кекуле; все шесть связей C–C одинаковы (139 пм).

4. Этоксид-ион \(\ce{CH3CH2O-}\). Рядом с кислородом нет π-связи — резонанса нет, весь заряд на одном атоме.

Гибрид и его заряды

Структуры первой части урока — только способ записи. Реальную частицу, гибрид, рисуют одной формулой: частично двойные связи — сплошной и пунктирной линией, частичные заряды — δ.

Как нарисовать гибрид

1. Нарисуйте все резонансные структуры.
2. Связь, которая в одних структурах одинарная, а в других двойная, — в гибриде частично двойная.
3. Заряд, который в разных структурах стоит на разных атомах, делится между ними.
4. Для равноценных структур порядок связи и заряд — простые средние.

Примеры

1. Ацетат-ион. Две равноценные структуры: порядок каждой связи C–O \(\frac{2 + 1}{2} = 1\frac{1}{2}\), на каждом кислороде заряд \(-\frac{1}{2}\).

2. Нитрат-ион \(\ce{NO3-}\). Три равноценные структуры: порядок связи N–O \(\frac{2 + 1 + 1}{3} = 1\frac{1}{3}\), на каждом кислороде \(-\frac{2}{3}\).

3. Аллил-катион \(\ce{CH2=CH-CH2+}\). На каждом концевом атоме углерода \(+\frac{1}{2}\), средний атом без заряда.

4. Бензол \(\ce{C6H6}\). Порядок каждой связи C–C — \(1\frac{1}{2}\).

5. Почему делокализация стабилизирует. Заряд, распределённый по нескольким атомам, устойчивее, чем на одном. Поэтому ацетат-ион устойчивее этоксид-иона, и уксусная кислота (\(pK_a = 4{,}8\)) кислее этанола (\(pK_a = 16\)) в сотни миллиардов раз.