Einleitung
Elektronen haben keine feste Position in Atomen, Verbindungen und Molekülen (siehe Bild unten), haben jedoch die Wahrscheinlichkeit, in bestimmten Räumen (Orbitalen) gefunden zu werden. Resonanzformen veranschaulichen Bereiche höherer Wahrscheinlichkeiten (Elektronendichten). Dies ist, als würde man seinen Hut entweder in der rechten oder in der linken Hand halten. Der Begriff Resonanz wird angewendet, wenn zwei oder mehr Möglichkeiten zur Verfügung stehen., Chemiker verwenden Lewis-Diagramme, um Struktur und Bindung von kovalenten Entitäten wie Molekülen und polyatomaren Ionen, fortan Molekülen, darzustellen. Das Lewis-Diagramm eines solchen Moleküls stimmt jedoch nicht mit den beobachteten Eigenschaften des Moleküls überein.
Beispiel \(\pageIndex{1}\): Nitrationon
Das Nitrationon hat gemäß seinem Lewis-Diagramm zwei Arten von Stickstoff-Sauerstoff-Bindungen, eine Doppelbindung und zwei Einzelbindungen, was darauf hindeutet, dass eine Stickstoff-Sauerstoff-Bindung im Nitrationon kürzer und stärker ist als jede der beiden anderen., Die Lewis-Struktur impliziert auch in Bezug auf die formale Ladung, dass es zwei Arten von Sauerstoffatomen in dem Nitrationion gibt, eines formal neutral und jedes der beiden anderen trägt eine formale Ladung von -1. Experimentell haben jedoch die drei Stickstoff-Sauerstoff-Bindungen im Nitrationion die gleiche Bindungslänge und die gleiche Bindungsenergie, und die drei Sauerstoffatome sind nicht zu unterscheiden. Das Lewis-Diagramm erklärt die Struktur und Bindung des Nitrationions nicht zufriedenstellend.
Für das Nitrationion können zwei zusätzliche Lewis-Diagramme gezeichnet werden.,
Keiner von ihnen stimmt jedoch mit den beobachteten Eigenschaften des Nitrationions überein und stellt daher das Nitrationion nicht korrekt dar.
Beispiel \(\pageIndex{2}\): Benzol
Benzol hat gemäß seinem Lewis-Diagramm zwei Arten von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, drei Doppelbindungen und drei Einzelbindungen, was darauf hindeutet, dass jede von drei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol kürzer und stärker ist als jede der anderen drei. Experimentell haben die sechs Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol jedoch die gleiche Bindungslänge und die gleiche Bindungsenergie., Das Lewis-Diagramm erklärt die Struktur und Bindung von Benzol nicht zufriedenstellend.
Ein Attribut von Molekülen, dessen klassisches Lewis-Diagramm nicht mit den beobachteten Eigenschaften übereinstimmt, ist, dass für sie andere gültige Lewis-Diagramme erzeugt werden können. Ein zusätzliches Lewis-Diagramm kann für Benzol gezeichnet werden.
Keiner von ihnen stimmt jedoch mit den beobachteten Eigenschaften von Benzol überein und zeigt daher Benzol nicht korrekt an.,
Die Resonanztheorie ist ein Versuch, die Struktur einer Spezies zu erklären, wie das Nitrationon oder Benzol, von dem kein Lewis-Diagramm mit den beobachteten Eigenschaften der Spezies übereinstimmt. Der Hauptvorteil der Resonanztheorie besteht darin, dass die Resonanztheorie, obwohl sie auf einer strengen mathematischen Analyse basiert, erfolgreich angewendet werden kann, wobei wenig oder keine Mathematik aufgerufen wird. Die Resonanztheorie wird unten am Beispiel des Nitrationons erklärt.
Nach der Resonanztheorie ist die Struktur des Nitrationions nicht 1 noch 2 oder 3, sondern der Durchschnitt aller drei von ihnen, gewichtet nach Stabilität., Lewis-Diagramme 1, 2 und 3 werden Resonanzformen, Resonanzstrukturen oder Resonanzfaktoren des Nitrationons genannt. Die Struktur des Nitrationons soll ein Resonanzhybrid oder einfach ein Hybrid der Resonanzformen 1, 2 und 3 sein. Wann immer es notwendig ist, die Struktur des Nitrationions zu zeigen, werden Resonanzformen 1, 2 und 3 gezeichnet, die durch einen doppelköpfigen Pfeil verbunden sind.,
Die drei Resonanzformen des Nitrationions 1, 2 und 3 sind identisch, haben also die gleiche Stabilität und tragen daher gleichermaßen zum Hybrid bei., Da das genaue Ausmaß bekannt ist, in dem jede Resonanzform des Nitrationes zum Hybrid beiträgt, kann die Bindungsreihenfolge jeder Stickstoff-Sauerstoff-Bindung sowie die formale Ladung an jedem Sauerstoffatom im Hybrid leicht bestimmt werden:
Nach der Resonanztheorie ist jede Bindung im Nitrationon ein und ein Drittel einer Bindung, was mit der Beobachtung übereinstimmt, dass die drei Bindungen im Nitrationon die gleiche Bindungslänge und die gleiche Bindungsenergie haben..,
Laut Resonanztheorie hat jedes Sauerstoffatom im Nitrationon eine formelle Ladung von -2/3, was in Verbindung mit der Tatsache, dass die drei Stickstoff-Sauerstoff-Bindungen identisch sind, mit der Beobachtung übereinstimmt, dass die drei Sauerstoffatome im Nitrationon nicht zu unterscheiden sind. In jeder Resonanzform des Nitrationions gibt es zwei \(\pi\) Elektronen, die nur von zwei Atomen geteilt werden. Ein Elektron, das nur von zwei Atomen geteilt wird, soll lokalisiert sein., Somit sind die beiden \(\pi\) Elektronen in jeder Resonanzform des Nitrationions lokalisiert. Das Nitrationon, wie durch den Hybrid dargestellt, hat zwei \(\pi\) Elektronen:
- # Elektronen in einer \(\pi\) Bindung = 2
- # Elektronen in einem Drittel einer \(\pi\) Bindung = 2/3
- # Elektronen in drei von ihnen = 3 x (2/3) = 2
Die beiden \(\pi\) Elektronen im Nitrationon werden von insgesamt vier atome, ein Stickstoffatom und drei Sauerstoffatome. Ein Elektron, das von mehr als zwei Atomen geteilt wird, soll delokalisiert sein. Somit werden die beiden \(\pi\) Elektronen im Nitrationion delokalisiert., Die Delokalisierung von \(\pi\) Elektronen im Nitrationion erfordert, dass sich die vier Atome auf derselben Ebene befinden, was eine laterale Überlappung der p-Orbitale auf ihnen ermöglicht.,
Wenn die Energie des Nitrationions der gewichtete Durchschnitt der Energien seiner drei Resonanzformen wäre, so wie die Struktur des Nitrationions der gewichtete Durchschnitt der Strukturen seiner drei Resonanzformen ist, sollte sie gleich der Energie einer der drei identischen Resonanzformen sein:
Wenn die Energie des Hybriden gleich der einer Resonanzform wäre, vorausgesetzt, alle chemischen Einheiten (Elementarteilchen, Atome, Moleküle usw.,) natürlich neigen dazu, im niedrigstmöglichen Energiezustand zu sein, es würde keinen Vorteil für das Nitrationion geben, als Hybrid zu existieren; es könnte einfach als Resonanzform existieren. Da das Nitrationon als Hybrid existiert, nicht als Resonanzform, kann gefolgert werden, dass die Energie des Hybriden niedriger ist als die einer der Resonanzformen.
Nach der Resonanztheorie ist dann die Energie eines Moleküls niedriger als die der Resonanzform mit der niedrigsten Energie., Da das Nitrationion eine geringere Energie hat und daher stabiler ist als jede seiner Resonanzformen, soll das Nitrationion resonanzstabilisiert sein.
Häufige Missverständnisse
Es gibt zwei Missverständnisse über Resonanztheorie bei beginnenden Studenten, wahrscheinlich aufgrund wörtlicher Interpretation des Wortes Resonanz. Sie werden unten am Beispiel des Nitrationons beschrieben.
Missverständnis 1: Das Nitrationon existiert für einen Moment als Resonanzform 1 und wechselt dann entweder in Resonanzform 2 oder in Resonanzform 3, die sich ineinander verkettet oder zu 1 zurückkehrt.,
Die Struktur des Nitrationions ist nicht 1 noch 2 noch 3, sondern die Hybride und ändert sich nicht mit der Zeit, es sei denn, es wird eine Reaktion durchgeführt.
Missverständnis 2: In einer Probe von Nitrationen existiert zu einem gegebenen Zeitpunkt ein Drittel der Ionen als Resonanzform 1, ein weiteres Drittel als Resonanzform 2 und das verbleibende Drittel als Resonanzform 3.
In einer Probe von Nitrationen haben zu einem bestimmten Zeitpunkt alle Ionen die gleiche Struktur, die der Hybrid ist.,
Maultiere und Nashörner
Die klassische Analogie zur Klärung dieser beiden Missverständnisse ist das Maultier (Morrison, R. T.; Boyd, R. N. Organic Chemistry, fifth edition; Allyn and Bacon: Boston, 1987, pg. 373). Biologisch gesehen ist ein Maultier eine Mischung aus Pferd und Esel. Dies bedeutet nicht, dass ein Maultier für einen Moment einem Pferd ähnelt und sich dann in einen Esel verwandelt. Das Aussehen eines Maultiers ist eine Kombination aus dem eines Pferdes und dem eines Esels und ändert sich nicht mit der Zeit. Es bedeutet auch nicht, dass in einer Herde einige Maultiere einem Pferd und die anderen einem Esel ähneln., In einer Herde haben alle Maultiere das gleiche Aussehen, was eine Kombination aus Pferd und Esel ist. Die Schwäche dieser Analogie ist, dass Pferde und Esel existieren, während Resonanzformen streng hypothetisch sind. Eine bessere Analogie, zitiert in Morrison und Boyd, ist das Nashorn. Wenn man ein Nashorn sieht, könnte man es als Hybrid aus einem Drachen und einem Einhorn beschreiben, zwei Kreaturen, die es nicht gibt.