Cấu trúc cộng hưởng

Cấu trúc cộng hưởng là các công thức Lewis hợp lệ khác nhau của cùng một phân tử hoặc ion. Các nguyên tử giữ nguyên vị trí, nhưng một số electron có thể được biểu diễn theo nhiều cách. Các nhà hóa học dùng chúng khi một công thức Lewis duy nhất quá cục bộ để thể hiện tốt sự phân bố electron thực tế.

Tiểu phân thực không chuyển qua lại giữa các dạng riêng biệt. Nó là một lai cộng hưởng: một sự phân bố electron thực được biểu diễn bằng nhiều hình vẽ Lewis.

Cấu Trúc Cộng Hưởng Thực Sự Cho Thấy Điều Gì

Khi vẽ cấu trúc cộng hưởng, liên kết giữa các nguyên tử phải được giữ cố định. Một liên kết đôi có thể dịch chuyển, một cặp electron tự do có thể trở thành một phần của liên kết $\pi$, và điện tích hình thức có thể thay đổi vị trí, nhưng khung nguyên tử không thay đổi.

Đó là cách kiểm tra nhanh nhất. Nếu bạn phải di chuyển nguyên tử để tạo ra hình vẽ mới, thì bạn không còn đang vẽ cấu trúc cộng hưởng.

Ví Dụ Ozon: Hai Công Thức Lewis, Một Phân Tử

Ozon, $O_3$, là ví dụ kinh điển:

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

Trong mỗi cấu trúc đóng góp, nguyên tử oxy ở giữa mang điện tích hình thức dương và nguyên tử oxy đầu mút liên kết đơn mang điện tích hình thức âm. Hai hình vẽ này tương đương vì hai nguyên tử oxy đầu mút là tương đương nhau.

Điểm quan trọng không phải là ozon lật qua lật lại giữa hai phân tử riêng biệt. Điểm quan trọng là phân tử thực có mật độ electron được phân bố trên cả hai liên kết O-O. Trong hóa học nhập môn, mỗi liên kết O-O thường được mô tả có bậc liên kết nằm giữa $1$ và $2$, chứ không phải một liên kết đơn thuần túy và một liên kết đôi thuần túy.

Cách Vẽ Cấu Trúc Cộng Hưởng Đúng

1. Bắt đầu với một công thức Lewis hợp lệ.
2. Chỉ di chuyển electron, thường là các cặp electron tự do hoặc electron $\pi$. Không di chuyển nguyên tử.
3. Giữ nguyên tổng số electron hóa trị và điện tích tổng trong mọi cấu trúc đóng góp.
4. Kiểm tra lại quy tắc bát tử và điện tích hình thức. Với các ví dụ nhập môn phổ biến, những cấu trúc đóng góp có điện tích hình thức nhỏ hơn và sự phân bố điện tích hợp lý hơn thường quan trọng hơn.

Đó là lý do cộng hưởng thường xuất hiện ở các tiểu phân có cặp electron tự do kề nhau, liên kết bội hoặc điện tích. Nếu không thể có sự dịch chuyển electron mà không làm thay đổi khung nguyên tử, thì có thể không có cấu trúc cộng hưởng để vẽ.

Những Lỗi Thường Gặp Với Cấu Trúc Cộng Hưởng

• Di chuyển nguyên tử thay vì chỉ di chuyển electron.
• Quên giữ nguyên tổng điện tích trong mọi cấu trúc.
• Xem các cấu trúc cộng hưởng như thể phân tử đang chuyển đổi rất nhanh giữa các dạng thực riêng biệt.
• Vẽ các cấu trúc đóng góp vi phạm quy tắc hóa trị thông thường ở mức độ bạn đang học.
• Cho rằng mọi cấu trúc đóng góp đều quan trọng như nhau khi có một cấu trúc có điện tích hình thức kém hợp lý hơn nhiều.

Khi Nào Cấu Trúc Cộng Hưởng Quan Trọng Trong Hóa Học

Cộng hưởng quan trọng trong nhiều oxoanion, hệ liên hợp và phân tử thơm vì mật độ electron có thể được delocal hóa trên nhiều nguyên tử. Nó giúp giải thích vì sao một số liên kết giống nhau hơn so với điều mà một công thức Lewis đơn lẻ gợi ra.

Nó cũng giúp giải thích độ bền và tính phản ứng. Nếu một điện tích có thể được phân tán trên nhiều nguyên tử, điều đó thường làm tiểu phân bền hơn so với một cấu trúc mà điện tích bị tập trung trên một nguyên tử.

Hãy Thử Một Trường Hợp Tương Tự

Hãy tự thử với ion nitrat, $NO_3^-$. Giữ cố định khung nguyên tử, vẽ các cấu trúc cộng hưởng hợp lệ, rồi tự hỏi những hình vẽ đó cho thấy điều gì về ba liên kết N-O trong ion thực.