9.10:
共振
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
大多数分子和离子可以 使用独特的路易斯结构表示。但是，某些化合物可以通过 多个同等有效的路易斯结构表示。比如说三氧化硫的路易斯结构。每个氧原子和中心硫原子之间的单键 满足氧原子的八隅体要求。但是，为了使硫达成完整的八隅体状态，硫原子和一个氧原子之间必须形成 一个额外的键。由于三个氧中的任何一个均可与硫形成 双键，因此可绘制出三种不同的路易斯结构。这些路易斯结构 被称为共振结构，其中骨架结构 保持相同，但电子分布不同。这三种结构都是分子的有效和等价表示形式，但它们在自然界中并不存在。实际结构不会在这些共振结构之间振荡，而是三个路易斯结构的混合或平均，它可以用键长来测量。在亚硫酸盐中，硫-氧单键的长度 为 1.51 埃，而在三氧化硫中，硫-氧单键的长度为 1.42 埃。因此，在混杂分子中，键长 介于单键键长和双键键长之间。在混杂分子中，参与 双键或孤对的电子通常 离域在多个键或原子上，这意味着电子不是固定在一个特定原子上。离域化降低了电子的潜在能量 从而导致结构更稳定，被称为共振稳定。芳香族化合物也可以观察到共振现象 例如苯。苯是一个六边形碳环，每个碳原子键合有一个氢，并且碳原子之间交替存在 单键和双键。根据碳-碳双键的位置，苯可有两种共振结构。大家回想一下，双键通常 比单键短。然而，苯中所有的碳-碳键 具有相等的键长，它 介于碳-碳单键键长和双键键长 之间。因此，苯以共振杂化的形式存在 并且可以表示为内部带有一个圆圈的六边形。圆圈表示苯是两个共振结构 的混合物，双键不能 定域于任何两个特定的碳原子上。
9.10:
共振
亚硝酸盐− (NO2 μ m) 的路易斯结构实际上可以通过两种不同的方式绘制，区别于 N-O 和 N=O 键的位置。
如果亚硝酸盐确实含有一个和一个双键，则两个键长度预期会有所不同。 两个原子之间的双键比同一两个原子之间的单个键更短 (更强)。 但是，实验表明， NO2−中的两个 N – O 键的强度和长度都相同，所有其他性质中的强度和长度都相同。不能为NO2− 编写一个路易斯结构，其中氮气具有八偶体，两个键都是等效的。
相反，使用了共振概念：如果可以为分子或离子编写两个或多个原子排列相同的路易斯结构，那么电子的实际分布就是各种路易斯结构所示的平均值。 NO2−中每个氮氧键中的电子的实际分布是双键和单键的平均值。
单个路易斯结构称为共振形式。 分子的实际电子结构 (共振形式的平均值) 被称为单个共振形式的共振混合。 路易斯结构之间的双头箭头表示它们是共振形式。
碳酸盐阴离子 CO32− 提供了第二个共振示例。
- 一个氧原子必须有一个双键到一个碳，才能在中央原子上完成八偶体。
- 但是，所有氧原子都是等效的，双键可能来自三个原子中的任何一个。 这会产生三种碳酸盐离子共振形式。
- 由于可以写入三个相同的共振结构，因此已知碳酸盐离子中电子的实际排列是三个结构的平均值。
- 同样，实验表明所有三个 C – O 键完全相同。
切记，被称为共振混合物的分子永远不会拥有任何一种共振形式描述的电子结构。 它不会在共振形式之间波动；相反，实际电子结构始终是所有共振形式所示的平均值。
共振理论的先驱之一 乔治·惠兰德（George Wheland） 用一个历史类比来描述共振形态和共振混合物之间的关系。 一个中世纪的旅行者，从未见过犀牛，把它描述为龙和独角兽的混合，因为它有许多性质，两者都有共通之处。 正如犀牛有时既不是龙，也不是独角兽，在任何特定时间，共振混合物都不是共振形式。
与犀牛一样，实验证据证明存在的是一个真实实体。 它有一些与共振形式相同的特征，但共振形式本身是方便的假想图像 (如独角兽和龙)。