Kiedykolwiek musisz narysować strukturę rezonansową dla cząsteczki hybrydowej, jest kilka rzeczy, o których powinieneś pamiętać. Niektóre z nich to unikanie rysowania struktur, które nie wnoszą znaczącego wkładu do cząsteczki hybrydowej. Inną rzeczą do rozważenia jest upewnienie się, że struktura rezonansowa znajduje się we właściwym miejscu. I wreszcie, należy unikać popełniania błędów podczas rysowania struktury rezonansowej.
Przykłady struktur rezonansowych
Teoria rezonansu orbitali molekularnych (MORT) opisuje struktury rezonansowe jako antysymetryczne produkty orbitali wiązań. Oznacza to, że pozycje atomów w różnych strukturach rezonansowych są takie same, ale mogą one mieć różne wzory wiązań. Atomy mogą być połączone wiązaniami, lub ładunkami cząstkowymi. Ponadto pozycje elektronów również mogą być różne w różnych strukturach rezonansowych. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć rolę struktur rezonansowych w opisie struktury cząsteczki.
Struktura rezonansowa to zbiór struktur Lewisa opisujących delokalizację elektronów w atomie. Jest ona średnią ważoną struktur, które są poprawne dla danej cząsteczki. Hybryda rezonansowa to połączenie struktur rezonansowych dwóch cząsteczek. Uważana jest za prawdziwy kształt cząsteczki. Obrazuje również prawidłowe rozmieszczenie elektronów wewnątrz cząsteczki. Nazywana jest również strukturą kanoniczną.
Hybryda rezonansowa jest najbardziej stabilną formą struktury rezonansowej. Posiada najmniejszą ilość energii i jest najbardziej stabilną strukturą. Można ją otrzymać jedynie poprzez superpozycję dwóch struktur rezonansowych. Może być jednak nieredukowalna, jeśli spełniony jest jeden z trzech warunków. Jeśli dwie struktury rezonansowe są nieredukowalne, to struktura nie jest hybrydą, a raczej pojedynczym łańcuchem parzystym. Energia hybrydy rezonansowej jest zawsze mniejsza od energii wnoszącej struktury rezonansowej.
Oprócz energii, stabilność hybrydy rezonansowej mierzy się również długością wiązań. Hybryda rezonansowa obrazuje właściwe rozmieszczenie elektronów wewnątrz cząsteczki. Nie jest możliwe, aby hybryda rezonansowa przekształcała się w izomery. Atomy w hybrydzie rezonansowej mają jednakową liczbę par samotnych. Muszą też być ułożone w prawie jednej płaszczyźnie.
Gdy dwie struktury rezonansowe nałożą się na siebie, określa się to mianem superpozycji nieredukowalnej. W tej sytuacji każda ze struktur współtworzących przestrzega zasady oktetu. Gdy struktura posiada wszystkie oktety, nazywana jest strukturą oktetową pełną. W porównaniu z oktetami otwartymi, struktury posiadające pełne oktety są bardziej stabilne. Gdy atom w hybrydzie rezonansowej jest mniej elektroujemny, struktura ma więcej ładunków umownych niż ta, która ma więcej ładunków ujemnych. Dlatego struktura z większą ilością ładunków umownych jest bardziej stabilna.
Inną strukturą rezonansową jest wiązanie hybrydowe. Wiązanie hybrydowe jest połączeniem struktury rezonansowej i struktury nierezonansowej. Można je uznać za strukturę pośrednią pomiędzy strukturą rezonansową a rzeczywistą strukturą cząsteczki. Nazywane jest również wiązaniem kanonicznym. Rzeczywista struktura cząsteczki jest hybrydą wszystkich ważnych struktur rezonansowych. Nazywana jest również formą kanoniczną cząsteczki.
Najczęstsze błędy, których należy unikać podczas rysowania struktur rezonansowych
Niezależnie od tego, czy jesteś chemikiem chcącym nauczyć się podstaw, czy początkującym projektantem molekularnym, ważne jest, aby znać najbardziej efektywny sposób rysowania struktury rezonansowej. Narysowanie dobrej struktury rezonansowej wymaga trochę czasu i uwagi na szczegóły, ale z praktyką twoje umiejętności rysowania będą coraz lepsze. Dobrym pomysłem jest również korzystanie z podręcznika w celu uzyskania dodatkowych informacji oraz ćwiczenie z problemami dostarczonymi przez instruktora.
Najczęstszym błędem popełnianym przy rysowaniu struktur rezonansowych jest niewłaściwe użycie zakrzywionych strzałek. Istnieje nieskończona liczba sposobów na narysowanie zakrzywionej strzałki, ale aby była ona legalna, musi spełniać tylko trzy funkcje. Strzałka może być użyta do pokazania transferu elektronów z jednej struktury do drugiej, ale nigdy nie powinna przekraczać reguły oktetu na elemencie drugiego rzędu. Może być również użyta do interkonwersji struktur, ale tylko wtedy, gdy jest odpowiednio oznakowana.
Kolejnym częstym błędem jest przenoszenie atomów. Aby tego uniknąć, najlepiej zacząć rysowanie cząsteczki w rejonach gęstych elektronowo, takich jak jądro. Można też zacząć od rysowania samotnych par, co pozwoli na śledzenie elektronów walencyjnych. Śledzenie par samotnych jest szczególnie ważne, jeśli rysujesz strukturę z karbokacją. Dzieje się tak dlatego, że karbokacja jest miejscem o niskiej gęstości elektronowej, a samotna para zostanie przekształcona w wiązanie.
Najciekawszą rzeczą w rysowaniu struktury rezonansowej jest możliwość wizualizacji przepływu elektronów. W szczególności zakrzywione strzałki, które służą do ich rysowania, pokazują przenoszenie elektronów z jednej cząsteczki do drugiej. Pozwala to na wizualizację delokalizacji elektronów pi w układach sprzężonych oraz tworzenie nowych wiązań. Możesz również użyć strzałek do zobrazowania zmiany w wiązaniu, np. utworzenia nowego wiązania pi z atomem tlenu. Strzałki mogą być również użyte do wskazania obecności hybrydy rezonansowej, która jest prawdziwym kształtem cząsteczki.
Najważniejszą rzeczą, którą należy wiedzieć o rysowaniu struktury rezonansowej jest to, że musisz pokazać prawidłową ilość ładunku formalnego. Zasada oktetu mówi, że cząsteczka musi mieć co najmniej osiem elektronów w powłoce walencyjnej. Jeśli jednak masz zbyt wiele wiązań z atomem azotu, otrzymasz cząsteczkę, która zawiera więcej niż osiem elektronów walencyjnych. Możesz łatwo uniknąć złamania tej reguły, włączając elektrony samotnej pary na azocie i tlenie, co pomoże Ci śledzić liczbę elektronów walencyjnych w cząsteczce.
Wreszcie, najlepszym sposobem na narysowanie struktury rezonansowej jest zachowanie prostoty. Podczas gdy zakrzywione strzałki są imponujące, należy pamiętać, że strzałki muszą być pokazane w tej samej kolejności co cząsteczka, aby były właściwie zrozumiane. Jest to prawdą, nawet jeśli rysujesz tylko jedną cząsteczkę.
Unikanie struktur rezonansowych, które nie wniosą istotnego wkładu do cząsteczki hybrydowej
Pomimo tego, że jest to częsty i ważny temat w podręcznikach chemii, kwestia jak prawidłowo rysować struktury cząsteczek jest często zaniedbywana. W rezultacie wielu studentów ma nieświeże pojęcie o tym, jak powstają proste struktury molekularne. Co więcej, pojęcie rezonansu jest rzadko omawiane na tym etapie edukacji studenta. Tymczasem rezonans jest idealnym sposobem na poprawę stabilności i mobilności cząsteczek. Jego zalety są dwojakie: ładunki reaktywne są rozłożone na dużą liczbę atomów, a cząsteczka z rezonansem jest łatwiejsza do zaplanowania i mniej podatna na drgania.
Jednak, choć rysowanie struktury molekularnej może być najbardziej efektywnym sposobem przedstawienia cząsteczki, nie zawsze jest to sposób najdokładniejszy. Na przykład w najprostszej strukturze molekularnej najdokładniejszym sposobem rysowania cząsteczki wodoru jest sposób liniowy, a nie piramida trygonalna. Ponadto reguła oktetu jest zasadą obowiązującą w budowie atomu. Reguła ta nie obowiązuje jednak w związkach gazów szlachetnych. Dlatego rysowanie w kółko tej samej struktury nie jest dobrym pomysłem. Najlepszym sposobem na narysowanie cząsteczki jest bycie kreatywnym i pokazanie jej na różne sposoby. W ten sposób cząsteczka może być pokazana na wiele sposobów i jest bardziej prawdopodobne, że zostanie zrozumiana.
Na przykład, reguła oktetu nie uwzględnia ładunków formalnych pierwiastka. Jednak nadal dobrze jest brać pod uwagę ładunki formalne podczas rysowania struktury molekularnej. Dlatego uczeń może narysować dwa przedstawienia tej samej cząsteczki: pierwsze przedstawia strukturę jako całość, a drugie przedstawia ładunki formalne pierwiastków. Pierwsze przedstawienie może być pokazane linią przerywaną, a drugie linią przerywaną lub ciągłą. Ten sam uczeń może również narysować strukturę z jednym lub wieloma wiązaniami. W tym przypadku zasada oktetu może być kwestią sporną.
Najlepszym sposobem na narysowanie struktury molekularnej jest kreatywność i pokazanie talizmanu chemicznego. Na przykład, oktet jest regułą dla struktury atomowej, ale nie dla struktury średniej. W kontekście tej pracy oktet nie ma zastosowania do cząsteczki ClO4-. Aby w pełni zrozumieć cząsteczkę, należy odrzucić regułę oktetu i rozważyć inną organizację wiązań. Takie podejście pozwoli uczniom narysować cząsteczkę o dokładniejszej strukturze.
Innym sposobem rysowania struktur cząsteczek jest wykorzystanie teorii odpychania par elektronów w powłoce walencyjnej do zilustrowania struktury. Teoria ta mówi, że elektrony w cząsteczkach nie są klasycznymi obiektami i są raczej zdelokalizowane. Delokalizacja ta powoduje, że wiązanie między atomami jest równomiernie rozproszone. Dzięki temu elektrony mogą być ułożone w orbitale. Orbitale te są następnie grupowane razem, tworząc orbitale hybrydowe. Te orbitale hybrydowe noszą odpowiednie nazwy, w zależności od ich liczby orbitali.