Rezonans – nauczmy się tego!

Rezonans chemiczny – o co w tym chodzi?

Rezonans to temat, za którym raczej nie przepadacie. Wcale się temu nie dziwię – gdy startowałem po raz pierwszy w Olimpiadzie, to się ciągle pojawiało w książkach, ale ja to dzielnie ignorowałem, myśląc że jest to za trudne i tego na OlChemie nie będzie, a przede wszystkim, ja po prostu tego nie ogarniałem.

Teraz już troszkę mądrzejszy wiem, że w istocie jest to bardzo ważna rzecz i musicie ją umieć! Świadczą o tym chociażby te przykłady : 

To tak na szybko, z głowy. Jak widzicie, rozpiętość zadań jest dość szeroka, bo to fizyczna, organiczna, nieorganiczna, analityczna. Wszystkie działy 🙂

Trzeba zatem to umieć. W takim podstawowym stopniu, naprawdę.

Zaczynajmy!

*Uwaga – zakładam, że umiecie rysować wzory Lewisa i macie pojęcie o ładunku formalnym.


Rysowanie wzorów cząsteczek przy użyciu wzorów Lewisa jest bardzo spoko – jest to prosta i przyjemna metoda, czasem jednak wychodzą z niej niedoskonałości, które powodują to, że cząsteczka nie jest przedstawiona w do końca poprawny sposób. Rezonans chemiczny jest właśnie takim innym sposobem zapisu, który wkracza do akcji właśnie w takich sytuacjach.

Myślę, że dobrym przykładem będzie kwas octowy, a konkretnie jego anion (pochodzący np. z soli)

octan rezonans             Strzałka \leftrightarrow to tzw. strzałka rezonansowa – jest to zupełnie inny typ strzałek. Z pewnością nie jest to strzałka oznaczająca równowagę, która np. określa reakcję dysocjacji kwasu octowego na anion octanowy oraz jon wodorowy.

Zobaczcie, że można narysować anion tego kwasu na dwa sposoby, przecież to są fizycznie dwa różne atomy tlenu. Zapamiętajcie sobie, że ładunek na jakimkolwiek atomie jest dla takiego atomu generalnie rzeczą ,,nienormalną„. Oczywiście niektóre atomy radzą sobie z danym ładunkiem lepiej lub gorzej, ale generalnie jest to jakieś odchylenie od normy.

To tak jakbym sobie założył 10-kilową kamizelkę i poszedł biegać. Wolę biegać bez niej, ale jeśli już muszę, to fajnie by było, jakby obok mnie biegł jeszcze kolega, który w połowie drogi weźmie ode mnie tą kamizelkę i mnie odciąży. A jak będzie jeszcze więcej kolegów, tym lepiej, bo krócej będę biegł z tym okropnym ciężarem.

To jest generalnie istota rezonansu. Chodzi o to, aby to pokazać. Bo jak narysuję jedną strukturę Lewisa, to tak jakbym zrobił zdjęcie (mi i jakimś dwóm kolegom, z którymi biegnę) i ja mam kamizelkę, a oni nie. I potem to zdjęcie damy do gazety. To jest to trochę niesprawiedliwe, bo się wydaje, że oni mi nie pomagali! Więc trzeba by zrobić trzy zdjęcia, aby ukazać, że mieliśmy tą kamizelkę założoną po równo, a samo bieganie było procesem dynamicznym, my ciągle przekazywaliśmy sobie tą kamizelkę.

Jeśli wtedy po biegu padnie pytanie – kto nosił kamizelkę, to co w sumie mamy odpowiedzieć!? Każdy i nikt – my non stop przerzucaliśmy między sobą tą kamizelkę (czyli to będzie nasz ładunek, nasze elektrony, które ciążą tym atomom). My, w tych kamizelkach, jesteśmy właśnie formami rezonansowymi, ale pytanie jest dotyczące całego biegu, zatem właściwa odpowiedź, kto niósł tą kamizelkę, jest że każdy i nikt. Czyli ta kamizelka jest ciągle w ruchu – w istocie jest to tzw. hybryda.

Więc formy rezonansowe, pokazują tylko różne stany tej cząsteczki, ale w rzeczywistości jest to coś pośrodku, czyli właśnie ta hybryda. Ale dzięki tym formom rezonansowym, ja jestem w stanie określić sobie, jak to dokładnie przebiega, jak te atomy dzielą się tymi ładunkami.

Na pewno kiedyś robiliście ciasto – wrzucaliście jakieś składniki do miksera, który powiedzmy składał się z dwóch ostrzy. Te dwa ostrza, to te dwie różne struktury rezonansowe, jak na rysunku anionu kwasu octowego wyżej. I teraz włączamy mikser, to ostrze zaczyna tak zapierdzielać, że nie jesteśmy w stanie wskazać palcem i powiedzieć : o, tutaj jest to ostrze! Nie, to ostrze porusza się tak szybko, że wydaje nam się, że jest wszędzie! Dokładnie to jest hybryda i rzeczywista struktura. Te formy rezonansowe przechodzą z jednej w drugą i wydaje się, że są każdą i żadną z tych struktur. Są jej hybrydą. Ta hybryda, to jedna tylko struktura, ten anion kwasu octowego nie istnieje jako dwie formy, które przechodzą miedzy sobą, to jest normalnie jedna struktura (widać to również po długości wiązań, które nie są typowe ani dla wiązania pojedynczego, ani dla podwójnego).

Mam nadzieję, że już rozumiecie istotę form rezonansowych oraz formy hybrydowej. Teraz kilka reguł odnośnie tego całego rezonansu :

  • atomy są ufiksowane (ulokowane) , przywiercone do jednej pozycji, one się nie ruszają! Czyli : nie przenoś atomów! To jest ważne, bo potem jeden z ,,błędów” to zastanawianie się – przecież ja mogę obrócić sobie tą strukturę i to jest to samo. Ale tak nie można robić. Tak jakbym obrócił ten mikser, o którym wspominałem i powiedział, że to jest to samo ostrze. 
  • ,,Ruszają się” tylko elektrony z wolnych par elektronowych oraz elektrony \Pi pochodzące z wiązań podwójnych lub potrójnych. Wiązania pojedyncze zostawiamy w spokoju – jest to logiczne, bo przeniesienie gdzieś indziej wiązania pojedynczego oznacza rozerwanie cząsteczki, wywalamy wtedy jakąś grupę funkcyjną czy tam atom,podstawnik. Czyli : nie rozrywaj cząsteczek!
  • pamiętajcie o regule oktetu! Nie możemy zrobić np. sześciu wiązań do węgla. Czyli : sprawdź, czy wiązania się zgadzają + określ ładunek formalny!

 

Generalnie, jeśli dany związek, jon, co tam chcecie, da się przedstawić za pomocą dwóch lub więcej wzorów Lewisa, to mamy do czynienia ze strukturami rezonansowymi. Teraz jak je rysować? Tak naprawdę, są cztery możliwe sytuacje :

  1. Najprostszy przypadek :
    • kation (ładunek dodatni) obok wiązania podwójnego/potrójnegokarbokation rezonans
    • analiza rysunku powyżej = czerwonej strzałki nie musicie rysować, wystarczą same formy rezonansowe. Czyli generalnie, takie wiązanie wielokrotne, może sobie przeskoczyć o jedno wiązanie w lewo lub w prawo, jeśli w tamtym miejscu jest ładunek dodatni. Nie można przeskakiwać o dwa!
  2. Wolna para elektronowa (ładunek ujemny) obok wiązania podwójnego (najczęściej) lub potrójnego :
    • rezonans anion
    • analiza rysunku powyżej – sytuacja jest identyczna jak powyżej, wiązanie podwójne przeskakuje w ten sam sposób, tylko ładunek jest inny. Te czerwone strzałki możecie zignorować (tak samo jak w poprzednim przykładzie), one są przedstawione dla zawodników, którzy już liznęli podstawy mechanizmów. Wy macie się tylko teraz nauczyć schematów tworzenia form rezonansowych.
  3. Wiązanie podwójne/potrójne, zawierające jakiś elektroujemny atom (najczęściej z grupy NOS : azot, tlen, siarka). To jest może odrobinę trudniejsze – zobaczcie na rysunek niżej. Lewa struktura ma ładunek dodatni na atomie węgla (czyli deficyt elektronów), a tlen ze swoją wolną parą elektronową jest prawdziwym bohaterem i dostarcza temu węglowi tych elektronów w postaci wiązania podwójnego.
    • rezonans EN atom  oraz Carbonyl_group_resonance.png
  4. W obrębie związku aromatycznego : modelowo benzen.benzne rezonans

To prawdopodobnie znana wszystkim forma rezonansowa.

 

Czasami jest tak, że niektóre formy rezonansowe są ,,gorsze” , mniej ważne, a co za tym idzie, mają mniejszy wkład w ostateczną, rzeczywistą formę hybrydową. To już jest zagadnienie co prawda bardziej na II etap, ale tak pokrótce kilka zasad, którymi można się kierować :

  • im mniej ładunków na atomach tym lepiej. Tak jak wspominałem, to jest takie odchylenie od normy, atomy wolą nie mieć ładunków.
    • Carbonyl_group_resonance          => czyli struktura po lewej jest lepsza.
  • odpowiednie ładunki (plus, minus : kation, anion) na odpowiednich atomach. Przykładowo, fluor jest mocno elektroujemny, on z chęcią będzie anionem, ale jak narysujemy na nim ładunek dodatni, to jest to bardzo, bardzo nieuprzywilejowane. Czyli : ładunki ujemne (minusy) na atomach o dużej elektroujemności.
    • tutaj ważny przykład z chemii enolów : eno resoannce
    • lepsza jest struktura po prawej, ponieważ zawiera ona ujemny ładunek na tlenie (zamiast na węglu), który ma większą elektroujemność niż węgiel i lepiej sobie radzi z tym ładunkiem.
  • reguła oktetu się musi zgadzać – jest to ważniejsze, niż powyższa reguła. Czyli ja wolę, żeby mi oktet pasował, niż przypisywać odpowiedni ładunek na odpowiedni atom.

Spróbujmy sobie to podsumować (tzw. Take Home Messages – ach, ten angielski wszędzie) :

  • rezonans (inaczej mezomeria) – to sposób przedstawienia elektronów zdelokalizowanych (czyli po prostu takich, które nie są zlokalizowane w konkretnym miejscu, na konkretnym atomie) w sytuacji, gdy nie jesteśmy w stanie przedstawić struktury danego związku za pomocą tylko jednego wzoru Lewisa.
  • rysujemy formy rezonansowe, które reprezentują przemieszczanie (wędrówkę) elektronów po danej cząsteczce. W rzeczywistości, prawdziwa struktura jest hybrydą wszystkich form rezonansowych – czyli czymś ,,pośrodku”. Te formy rezonansowe to nie są izomery!

 

rezonans
To u góry to jest hybryda – nazywa się toto ,,zebryną” . Ani to zebra, ani osioł – to jest ZEBRYNA! Natomiast zebra i osioł będą w tym przypadku formami rezonansowymi, a prawdziwą strukturą jest ,,coś pośrodku” – zebryna.
Chemistry is the dirty part of physics. — Peter Reiss

4 myśli w temacie “Rezonans – nauczmy się tego!”

  1. co prawda rezonans w miarę ogarniam po mcmurryn, ale ten post się przyda aby zajrzeć przed samym olcemem

    1. Rezonans jest dobrze zrobiony w Murrym, ale potrafiłem to docenić jak już troszeczkę w tej chemii posiedziałem – pierwsze zderzenie z takim materiałem jest dla licealisty dość szokujące 🙂
      Mam nadzieję, że się przyda na powtórki 🙂

Leave a Reply