Резонанс

Да видим дали можем да начертаем Люисова диаграма за нитратен анион. Нитратният анион има един азотен атом и три кислородни атома и има отрицателен заряд. Ще направя това в друг цвят. Има отрицателен заряд. Спри видеото и виж дали можеш да начертаеш Люисовата диаграма за нитратен анион. Добре, правили сме това множество пъти. Първата стъпка е да отчетеш валентните електрони. Азотът има един, два, три, четири, пет валентни електрона в най-въшния си слой, който е втори слой, ако е неутрален свободен азотен атом. Имаме пет електрона тук. Кислородът има един, два, три, четири, пет, шест валентни електрона. Но щом имаш три кислородни атома, ще имаш шест по три електрона. И ако просто събереш валентните електрони, все едно това са свободни неутрални атоми, ще получиш 5 + 18, което е 23 валентни електрона. Следващото нещо, което трябва да помним, е, че това е анион. Той има заряд -1. Така че ще има един допълнителен електрон, един допълнителен валентен електрон, отколкото бихме очаквали, ако това бяха свободни атоми, които са неутрални. Нека добавим един валентен електрон тук. Това ни дава 24 валентни електрони. И следващата стъпка е да опитаме да начертаем тази структура. Начинът да направим това е да опитаме да изберем най-слабо електроотрицателния атом, който не е водород, да е централният ни атом. В този случай това е азотът. Той е вляво от кислорода във втори период. Нека поставим азота в центъра, ето тук. И около него да поставим три кислородни атома. Един, два, три кислородни атома. Да поставим единични връзки между тях. Дотук – и нека направя това в друг цвят, за да можем да проследяваме нещата по-добре. Ще ги направя в лилаво. Дотук отчетохме два, четири, шест валентни електрона. Минус шест валентни електрона ни дава 18 валентни електрона. Следващата стъпка е да опитаме да поставим колкото е възможно повече от оставащите ни електрони при крайните атоми, при тези кислородни атоми тук. Да опитаме да ги доведем до пълен октет. Нека направим това. Всеки от тези кислородни атоми вече участва в една от тези ковалентни връзки, така че вече имат до два валентни електрона. Да видим дали можем да разпределим по още шест електрона на всеки, за да стигнат до осем. Две, четири, шест. Два, четири, шест. И после два, четири, шест. И ето така поставих 18 валентни електрона, шест, 12, 18. Тоест минус 18 валентни електрона. И не ни остават валентни електрони, които да разпределяме. Но да видим как се справят атомите ни. Знаем, че кислородните атоми имат пълен октет, но азотният има само два, четири, шест валентни електрона около себе си. Би било чудесно, ако имаше Люисова структура, при която можехме да имаме осем валентни електрона за този азотен атом. Един начин да направим това е да вземем една от тези несподелени електронни двойки на един от тези кислородни атоми и да я превърнем в друга ковалентна връзка. Нека направим това. Нека изтрия тази несподелена електронна двойка ето тук и да я превърна в друга ковалентна връзка. И това изглежда доста добре. Имаме осем валентни електрона около всеки от кислородните атоми. И сега имаме осем за азота, два, четири, шест, осем. И да не забравяме, че това е анион. Той има заряд -1. За да завършим Люисовата диаграма ще поставим този отрицателен заряд тук. И всичко това е добре, но ако това беше единственият начин, по който нитратът съществуваше, когато наблюдаваме нитратните аниони в реалността, можем да очакваме да видим една по-къса връзка и две по-дълги връзки и можем да очакваме една от връзките да има различна енергия от другите две. Но не това наблюдаваме в практиката. Наблюдаваме, че всички връзки имат еднаква дължина и имат една и съща енергия. И интересен въпрос е защо се случва това. Едно нещо, което вероятно забелязваш, е, че когато взех тази несподелена електронна двойка, за да създам тази ковалентна връзка, можех да я взема и от този кислороден атом тук горе. Можех да я взема и от този кислороден атом долу вляво. Или можех да я взема от кислородния атом долу вдясно. Има три валидни Люисови структури, които може да съществуват. Не само можехме да имаме тази Люисова структура, можехме да имаме и тази – ще я начертая в жълто, за да спестя малко време, където имаш този азот с единична връзка с този кислороден атом отгоре, и този кислороден атом отгоре пак има шест електрона в несподелени електронни двойки. Или може би образува двойна връзка с кислородния атом долу вляво. Този кислороден атом долу вляво има само две несподелени електронни двойки. Една от тях можеше да отиде за образуване на двойната връзка. И този кислороден атом би изглеждал по същия начин. Това, което чертая тук, е друга валидна Люисова структура. Или двойната връзка можеше да се образува с този кислород долу вдясно. Нека начертая това. Друга валидна Люисова структура би могла да изглежда така. Азот, свързан с този кислород, който има три несподелени електронни двойки. Този кислороден атом също има три несподелени електронни двойки. И сега този кислороден атом е свързан с азота с двойна връзка и има само две несподелени електронни двойки. И когато видим ситуация, в която имаме три валидни Люисови структури, наричаме това резонансна структура. И ще поставя стрелка, ето такива двупосочни стрелки между тези структури. Когато чуем термина резонанс, това понякога извиква у нас представата, че молекулата един вид прескача напред-назад, резонира между тези структури. Но на практика това не е вярно. Начинът да си представим това е, че тези различни структури, чрез които представяме молекулата на нитрата, съществуват под формата на резонансен хибрид, което е реалният начин, по който нитратът съществува. Ако искаме да начертаем резонансен хибрид, той би изглеждал по следния начин. Ще имаме азотен атом в центъра. Имаме кислородните атоми – един, два, три. Мога да начертая първата ковалентна връзка ето така. И после ще покажем връзката между азота и всеки един от тези три кислородни атома като хибрид между единична връзка и двойна връзка. И вместо само един от тях да има двойна връзка, а другите два да имат единични връзки, те са някъде по средата. Можем да начертаем пунктирана линия, нещо подобно, за да покажем реалността, която е, че съществуват три връзки, които са някъде между единична и двойна връзка, понеже електроните в тази молекула са делокализирани. И, разбира се, трябва да гарантираме, че тук е показано, че това е анион. Това представлява концепцията за резонансна структура. Имаш множество валидни Люисови структури. Всички те допринасят за съществуването на един резонансен хибрид, което наблюдаваме в реалността. Не подскачаме между тези различни структури. На практика съществува хибрид между тези три структури. Тези структури, които начертахме тук, са еквивалентни помежду си. Но в определени случаи, ще видим това в следващи уроци, тези структури може да не са еквивалентни една на друга и някои от тях може да допринасят повече за резонансния хибрид от други. Но ще видим това в бъдещи видеа.