„Pewniaki” na Olimpiadzie Chemicznej (rezonans i ładunek formalny)

Olimpiada Chemiczna – pewniaki

Bardzo nie lubię „pewniaków maturalnych”, ponieważ zabijają one myślenie i uczą schematów. Olimpiada to jednak zupełnie inna historia, ponieważ tutaj od samego początku uczymy się ze zrozumieniem i wiemy, że jest to kluczowe, aby potem dostać się do finału Olimpiady Chemicznej. W przypadku Olimpiady Chemicznej faktycznie jesteśmy w stanie czasami wskazać coś, co bardzo, bardzo często pojawia się co roku na zawodach – i to właśnie rezonans i ładunek formalny.

Przed Tobą część teoretyczna (dwa filmiki wideo) oraz zadania z pełnymi rozwiązaniami!

Rezonans był dla mnie bardzo trudnym tematem, gdy pierwszy raz się na niego natknąłem. To jednak naturalna sprawa, gorszy był jednak fakt, że nie zdawałem sobie sprawy jak ważny jest. I prawda jest taka, że teraz mi jeszcze nie uwierzysz, choćbym nie wiem jak się starał. 

Ale szybko przypomnisz sobie moje słowa, gdy przejdziemy do chemii organicznej i dosłownie co chwilę ten rezonans się będzie powtarzał! 

Przyłóż się zatem do zrozumienia tej koncepcji!

I tu druga część :

---

Uwaga – jeśli rysowanie wzorów elektronowych sprawia Ci na tym etapie problem, to spokojnie, zrób teraz tyle zadań ile potrafisz i pamiętaj, że następne dwie lekcje będą właśnie o rysowaniu wzorów elektronowych, więc jeśli to wszystko przerobisz, to można też ewentualnie wrócić do tej lekcji i nadrobić zadanka.

2. Zadania przygotowujące do Olimpiady Chemicznej (rezonans i ładunek formalny)

Zadanie 1 – Ładunki formalne bardzo często będą pojawiać się w chemii organicznej. Przypisz ładunki formalne do atomów zaznaczonych na czerwono.  

Odpowiedź :

Zadanie 2 – Dla borazyny o wzorze B₃N₃H₆ , nazywanej także nieorganicznym benzenem, można narysować trzy struktury rezonansowe. Poniżej przedstawiono dwie z nich – dorysuj trzecią i przypisz ładunki formalne do odpowiednich atomów. 

Odpowiedź :

Odpowiedź : co ciekawe, borazyna i jej struktura to już zagadnienie finałowe, więc można powiedzieć, że robimy już trudne rzeczy. 

Zadanie 3 – W każdym z podanych przykładów wskaż czy przedstawiono formy rezonansowe czy nie są to formy rezonansowe. Literka R w chemii organicznej oznacza najczęściej resztę węglowodorową i używa się takiego zapisu, gdy w danym momencie reszta cząsteczki nie ma znaczenia. 

Odpowiedź :

Zadanie 4 – Wskaż, które z przedstawionych struktur rezonansowych są równocenne. 

Odpowiedź :

Pierwsza para (anion NO₂^– ) oraz ostatnia para CH₂=CHCH₂⁺ . Rozpoznawanie równocennych struktur rezonansowych jest ważne, ponieważ oznacza to, że mają one wówczas równy wkład (procentowy udział) w końcową (,,prawdziwą”) strukturę hybrydy rezonansowej. 

Zadanie 5 – Wskaż, który z jonów będzie stabilniejszy i dlaczego. 

Odpowiedź :

W tym zadaniu przypominamy sobie o konsekwencjach rezonansu – tzn. że na jego podstawie możemy ocenić stabilność (a zatem też reaktywność chemiczną) naszych cząsteczek/jonów. A na tym przecież chemia polega. 

Zadanie 6 – narysuj po trzy struktury mezomeryczne dla jonu OCN^– (węgiel jest atomem centralnym) oraz dla anionu CNO^–  (azot jest atomem centralnym). Wskaż dominujące struktury mezomeryczne. 

Odpowiedź :

Struktury mezomeryczne to po prostu inna nazwa na struktury rezonansowe. Poniższe struktury rezonansowe, w których są obecne ładunki 2– lub , co gorsza, 3– są bardzo niekorzystne – na zawodach ich się wtedy nie rysuje, chyba że jest to wprost żądane w zadaniu (bo mamy narysować aż trzy struktury rezonansowe). 

Zadanie 7 – zaproponuj cztery struktury rezonansowe dla anionu PO₃F^2– . W anionie tym występuje wiązanie między fluorem i fosforem, a atom fosforu jest atomem centralnym. 

Odpowiedź :

Odpowiedź : są możliwe także inne struktury rezonansowe, np. z wiązaniem podwójnym do fluoru, jednak są one niekorzystne (wtedy byśmy mieli dodatni ładunek formalny na atomie fluoru, który przecież jest najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem). Czwarta narysowana niżej struktura również jest niekorzystna, bo bardziej opłacalne jest umieszczenie ŁF minus na atomie tlenu niż na atomie fosforu (bo tlen jest bardziej elektroujemny). 

Zadanie 8 – Kation nitrozylowy NO⁺ to jeden z nielicznych przykładów dodatnio naładowanych ligandów. Narysuj wzór elektronowy oraz ustal na którym atomie znajduje się dodatni ładunek formalny. 

Odpowiedź :

Dodatni ładunek umieścimy na atomie azotu, który ma niższą elektroujemność. Uwaga – nie oznacza to, że struktura po prawej stronie nie może istnieć i że nie ma żadnego wkładu w hybrydę rezonansową. Po prostu możemy przewidywać (i nie zawsze się to sprawdzi), że będzie dominować lewa struktura rezonansowa, ale nie wiemy jakie są to proporcje (bo to się już robi doświadczalnie), np. czy jest to 55:45 , czy bardziej 70:30. 

Zadanie 9 – Poniżej przedstawiono kilka hipotetycznych struktur rezonansowych dla tlenku węgla(IV). Wskaż te, których wkład w hybrydę rezonansową jest pomijalny i wyjaśnij dlaczego. 

Odpowiedź :

Oczywiście tylko pierwsza struktura jest sensowna i w razie polecenia na Olimpiadzie – narysuj strukturę elektronową CO₂ , wystarczyłoby tylko ją narysować, bo pozostałe formy są po prostu znacznie gorsze. W pierwszej strukturze każdy atom ma oktet i nie ma żadnych ŁF, co jest najkorzystniejsze. W pozostałych przykładach wszystkie atomy również mają oktet (oprócz ostatniej struktury, gdzie węgiel nie ma oktetu). Ostatnia struktura jest najgorsza, bo oprócz braku oktetu, mamy jeszcze bardzo duży ŁF na węglu. 

Zadanie 10 – Długość wiązania azot–tlen w tlenku azotu(II) wynosi 115 pm, podczas gdy długość wiązania N–O wynosi 136 pm, natomiast długość wiązania N=O wynosi 116 pm. Na tej podstawie narysuj najbardziej prawdopodobne struktury rezonansowe dla tlenku azotu(II).  

Odpowiedź :