Strutture di risonanza

Le strutture di risonanza sono strutture di Lewis alternative valide per la stessa molecola o lo stesso ione. Gli atomi restano nelle stesse posizioni, ma alcuni elettroni possono essere rappresentati in più di un modo. I chimici le usano quando una sola struttura di Lewis è troppo localizzata per mostrare bene la distribuzione reale degli elettroni.

La specie reale non passa continuamente da una forma separata all’altra. È un ibrido di risonanza: un’unica distribuzione elettronica reale rappresentata da più disegni di Lewis.

Che cosa mostrano davvero le strutture di risonanza

Quando disegni strutture di risonanza, la connettività tra gli atomi resta fissa. Un doppio legame può spostarsi, una coppia solitaria può diventare parte di un legame $\pi$ e le cariche formali possono cambiare posizione, ma lo scheletro atomico non cambia.

Questo è il test più rapido. Se per ottenere il nuovo disegno dovresti spostare gli atomi, allora non stai disegnando strutture di risonanza.

Esempio dell’ozono: due disegni di Lewis, una sola molecola

L’ozono, $O_3$, è l’esempio classico:

$$\mathrm{O=O-O} \leftrightarrow \mathrm{O-O=O}$$

In ciascun contributore, l’ossigeno centrale ha una carica formale positiva e l’ossigeno terminale legato con legame singolo ha una carica formale negativa. I due disegni sono equivalenti perché i due ossigeni terminali sono equivalenti.

Il punto non è che l’ozono oscilli tra due molecole separate. Il punto è che la molecola reale ha densità elettronica distribuita su entrambi i legami O-O. Nella chimica introduttiva, ogni legame O-O viene spesso descritto come avente un ordine di legame compreso tra $1$ e $2$, non come un legame puramente singolo e uno puramente doppio.

Come disegnare correttamente le strutture di risonanza

1. Parti da una struttura di Lewis valida.
2. Sposta solo gli elettroni, di solito coppie solitarie o elettroni $\pi$. Non spostare gli atomi.
3. Mantieni uguali in ogni contributore il numero totale di elettroni di valenza e la carica complessiva.
4. Ricontrolla gli ottetti e le cariche formali. Negli esempi introduttivi più comuni, i contributori con cariche formali minori e una migliore distribuzione delle cariche di solito contano di più.

Per questo la risonanza compare spesso in specie con coppie solitarie adiacenti, legami multipli o cariche. Se non è possibile spostare elettroni senza cambiare lo scheletro, potrebbe non esserci alcuna risonanza da disegnare.

Errori comuni con le strutture di risonanza

• Spostare gli atomi invece di spostare solo gli elettroni.
• Dimenticare di mantenere uguale la carica totale in ogni struttura.
• Trattare le strutture di risonanza come se la molecola passasse rapidamente tra forme reali separate.
• Disegnare contributori che violano le normali regole di valenza per il livello a cui stai lavorando.
• Supporre che tutti i contributori contino allo stesso modo quando uno ha cariche formali molto meno favorevoli.

Quando le strutture di risonanza sono importanti in chimica

La risonanza è importante in molti ossoanioni, sistemi coniugati e molecole aromatiche perché la densità elettronica può essere delocalizzata su più atomi. Aiuta a spiegare perché alcuni legami sono più simili tra loro di quanto suggerirebbe un solo disegno di Lewis.

Aiuta anche a capire stabilità e reattività. Se una carica può distribuirsi su più atomi, spesso la specie risulta più stabile rispetto a una struttura in cui la carica è confinata su un solo atomo.

Prova un caso simile

Prova con lo ione nitrato, $NO_3^-$. Mantieni fisso lo scheletro atomico, disegna i contributori di risonanza validi e poi chiediti che cosa implicano quei disegni riguardo ai tre legami N-O nello ione reale.