Struktury rezonansowe w chemii organicznej

RYSOWANIE STRUKTUR REZONANSOWYCH W CHEMII ORGANICZNEJ

Rysowanie struktur rezonansowych należy do najważniejszych, podstawowych umiejętności, którą należy posiadać w kontekście przygotowania do Olimpiady Chemicznej.

Oczywiście pojawia się to w tegorocznym folderze wstępnym – zarówno w części A :

jak i w części B :

Pojawienie się dokładnie tego samego polecenia w obu folderach, wskazuje na to, że sama aromatyczność jak i umiejętność rysowania struktur rezonansowych (i wyboru dominującej struktury) będzie z dużym prawdopodobieństwem mocno eksploatowana na zawodach, zarówno na I jak i II etapie. Prościej mówiąc – mamy ogromne szanse, że to pojawi się na zawodach!

Parę słów historii – powolne wprowadzanie rezonansu można było zauważyć już na 59. edycji, I etapie : Zadanie 1 – podpunkt f) . Należało tam już uwzględnić fakt, że jon azotanowy (III) ma dwie równocenne formy rezonansowe. Wraz z formami rezonansowymi w parze idzie przypisywanie ładunków formalnych, a te można było zauważyć już tu : 63 edycja, I etap : Zadanie 5 – podpunkt h).

I na zakończenie dochodzimy do sytuacji z najnowszej, 66. edycji Olimpiady Chemicznej, gdzie rysowanie form rezonansowych było obowiązkowe – zostało to bezpośrednio przedstawione w treści polecenia.

I nawet nieważne czy rysowanie tych struktur pojawiałoby się na Olimpiadzie czy też nie – zrozumienie tego zagadnienia leży u samych podstaw chemii, a to przecież z chemii ogólnie się przygotowujemy ucząc się do zawodów. Nie ma zatem wątpliwości, że jest to coś niesamowicie istotnego i należy się do tego solidnie przyłożyć. Chodzi zwyczajnie o to, że dzięki temu ograniczamy naukę chemii organicznej na pamięć (tego w ogóle nie wolno robić!) i zaczynamy rozumieć – a przecież właśnie o to chodzi!

[Poniższa część artykułu to fragment dużego, kompletnego opracowania dotyczącego rezonansu, aromatyczności oraz orbitali]. Więcej o tym znajdziesz na samym dole.

Struktury rezonansowe w chemii organicznej

W chemii organicznej natkniemy się na trzy grupy nieorganiczne dołączone do reszt węglowodorowych. Mowa tutaj o grupie nitrowej (―NO2 ) , sulfonowej (―SO3H) oraz fosforanowej (―PO4H2 ). Grupę fosforanową można zapisać także jako ―OPO3H2 , aby dodatkowo podkreślić, że wiązanie następuje poprzez atom tlenu, a nie przez atom fosforu. Ustalimy teraz, jak poprawnie je narysować. 

W przypadku grupy nitrowej najczęstszym błędem jest rysowanie pięciu wiązań do azotu, co jak już wiemy jest niemożliwe (azot nie przekracza oktetu elektronowego, pięć wiązań jest nielegalne!). Azot posiada tylko cztery orbitale wiążące. Jest to ważny przykład, ponieważ w przypadku formy z wiązaniami podwójnymi nie ma żadnych ładunków formalnych, zatem można by pochopnie pomyśleć, że jest to korzystniejsza struktura!

Sytuacja jest dokładnie odwrotna w przypadku siarki i fosforu, które mogą przekraczać oktet elektronowy i dlatego przy wyborze odpowiedniej struktury kierujemy się dążeniem do jak najmniejszych wartości ładunków formalnych, kosztem pogwałcenia reguły oktetu. Analogiczna sytuacja jest w przypadku reszty fosforanowej – ,,R” oznacza dowolną resztę organiczną. 

Jeśli chodzi o rezonans to bardzo trudne pytanie, które zadaje sobie duża część osób podczas jego nauki to KIEDY w ogóle mam rozważać, czy istnieją jakieś formy rezonansowe? Spróbujmy ująć to w kilka (pięć) wytycznych, swego rodzaju wskazówek, których warto się trzymać : 

  1. Połączenia pomiędzy atomami w formach rezonansowych muszą być identyczne. Mamy tutaj zatem od razu powiedziane, że formy rezonansowe to nie jest to samo co izomery! Izomery mają taki sam wzór sumaryczny, ale różnią się tym, w jaki sposób połączone są ze sobą atomy. 

Na powyższym rysunku po lewej przedstawiono błędny zapis − to nie są formy rezonansowe! W strukturze po lewej atomy tlenu nie są ze sobą połączone, natomiast w strukturze obok takie wiązanie się pojawiło. Zatem są to izomery, a nie formy rezonansowe! 

Po prawej natomiast mamy już trzy różne formy rezonansowe (rysunek jest poprawny). Zauważ, że nie ma znaczenia czy atomy łączą się ze sobą wiązaniem wielokrotnym czy pojedynczym, ważne aby łączyły się dokładnie w ten sam sposób. Skoro wiązanie to po prostu para elektronów, to możemy zauważyć, że formy rezonansowe różnią się po prostu rozkładem elektronów (czyli będziemy stawiać sobie fundamentalne pytanie − czy takie elektrony należy rozmieścić w postaci wolnej pary elektronowej na danym atomie czy w postaci wiązania podwójnego/potrójnego)?

Rysując formy rezonansowe możemy poczuć się jak rodzice, który dysponując jakąś ilością pieniędzy (tj. liczbą elektronów), muszą ją rozdysponować na swoje dzieci (formy rezonansowe) i zastanawiają się, komu dać więcej/mniej, kto je lepiej wykorzysta. Liczba pieniędzy (liczba elektronów) cała czas pozostaje taka sama, po prostu zmienia się ich podział (rozkład).  

  1. Każda forma rezonansowa musi mieć dokładnie taką samą ilość elektronów oraz taki sam ładunek sumaryczny. Ładunki formalne na danym atomie mogą być jednak różne, ważne żeby całkowity ładunek dla całej cząsteczki (formy rezonansowej) pozostawał taki sami. 

Powyżej pokazano dokładną metodę, którą warto przyswoić na samym początku. Po zrobieniu jednak kilku przykładów dojdziesz do wprawy i z pewnością zauważysz, że nie trzeba liczyć wszystkich elektronów i rozpisywać przy tym wszystkich wiązań (dla dużych cząsteczek byłoby to uciążliwe). Wystarczy spojrzeć tylko na fragment, który się zmienia i jedynie tam podliczyć elektrony. Pokazano to poniżej − ramką zaznaczono fragment, w którym ,,coś się zmieniło”, więc wystarczy tylko ten właśnie fragment przeanalizować. 

Jeśli chcesz dokładnie zgłębić istotę rezonansu, a także teorię orbitali molekularnych i aromatyczność, a więc inaczej mówiąc – dobrze przygotować się do zadania pierwszego na Olimpiadzie Chemicznej bazując na tematyce poruszonej w folderze A (zadania A1 oraz A2) to mamy dla Ciebie następującą propozycję :

Jaka jest tematyka filmików?

Jak zdobyć to opracowanie?

Przede wszystkim – jeżeli masz jakiekolwiek pytania to śmiało kieruj je na adres e-mail lub poprzez facebook’a :

  1. chemicznaolimpiada@gmail.com
  2. Facebook : Olimpiada Chemiczna

Pamiętaj, aby przy wpłacie podać w tytule adres e-mail! Bez tego wysyłka materiałów nie będzie możliwa, ponieważ są one w formie elektronicznej!

Aby zdobyć opracowanie należy dokonać wpłaty na konto :

Nazwa :  Chemiczny Olimp Patryk Wiśniewski

Numer konta :   03 1020 4900 0000 8302 3237 4332

Kwota :  80 zł (pakiet srebrny) lub 120 zł (pakiet złoty)

Tytuł : Pakiet srebrny lub złoty

Leave a Reply