Резонансови и Люисови структури

Сега, след като знаем как да чертаем точкови структури, нека приложим правилата си към нитратния анион. И ще видим, че можем да начертаем няколко различни структури за този анион. И ща ги наречем тези структури резонансни. Но първо трябва да изчислим общия брой валентни електрони. Азотът е в група 5 на периодичната таблица, следователно има 5 валентни електрона. Кислородът е в група 6, следователно всеки негов атом има 6 валентни електрона. Имам три такива. 6*3 е 18 валентни електрона, плюс петте от азота ми дава 23. И имам отрицателен заряд. Това тук е анион. Трябва да добавим един електрон към това. 23 + 1 ни дава общо 24 валентни електрона, които трябва да представим в точковата си структура. Знаем, че азотът ще е в центъра, понеже кислородът е по-електроотрицателен. Азотът отива в центъра. Азотът е свързан с три кислородни атома. Мога да ги поставя тук ето така. И да видим. Колко валентни електрона сме представили дотук? 2, 4 и 6. Следователно 24 - 6 ни дава 18 останали валентни електрона. И ще поставим тези останали валентни електрони към крайните атоми, които са нашите кислородни атоми. Кислородът ще следва октетното правило. В момента всеки кислороден атом има по два валентни електрона около себе си, тези в лилаво. И ако всеки кислороден атом има по 2, всеки кислороден атом се нуждае от още 6, за да завърши октета. И ще поставя още 6 валентни електрона около всеки от кислородните си атоми. Сега всеки кислороден атом е ограден от 8 електрона. Кислородните атоми са щастливи. Добавихме общо шест валентни електрона към три кислородни атома. 6*3 е 18. Използвахме всички електрони, които трябваше да представим. И тази точкова структура дотук има всички валентни електрони. Кислородът си е получил осмичката. Кислородът е доволен. Но азотът няма осем. Ако разгледаш лилавите електрони, около азота има само 6 електрона. И азотът иска да стигне до осем. Има два различни начина, по които можем да му дадем, каквото иска. Например можем да вземем една свободна двойка електрони от този горен кислороден атом и да ги преместим ето тук, за да споделим тези електрони между горния кислороден атом и този азотен. Нека начертаем създадената по този начин точкова структура. Сега нашият азотен атом ще има двойна връзка с горния кислороден атом. Горният кислороден атом има три отделни двойки електрони. Но сега има само две, понеже електроните в зелено са се преместили, за да създадат двойна връзка. Този азот е свързан с един кислороден атом долу вляво и с един кислороден атом долу вдясно. Това е валидна точкова структура. Следвахме стъпките си. И ще поставим това в скоби, и ще поставим отрицателния заряд извън скобите, ето по този начин. Това е една възможна точкова структура. Но не е нужно да вземем свободна двойка електрони от горния кислороден атом. Можехме да вземем една свободна двойка електрони от кислородния атом долу вляво. Ако тези електрони в синьо се преместят тук, можехме да начертаем друга точкова структура, която щеше да е също толкова валидна. Можехме да покажем този кислороден атом долу ляво, свързан с този азот и преди имаше три отделни двойки. Сега има само две. И този горен кислороден атом все още е с единична връзка с три свободни двойки около себе си. И този кислороден атом долу вдясно все още е с единична връзка с три свободни двойки около себе си. Така че това също е валидна точкова структура. Нека поставим скобите си с един отрицателен заряд. И после, разбира се, можехме да вземем една свободна двойка електрони от кислородния атом долу вдясно. Можех да преместя тези тук, за да образувам двойна връзка. И азотът ни щеше да е двойно свързан към един кислороден атом долу вдясно. Кислородът долу вдясно сега има само две свободни двойки електрони. Кислородният атом отгоре е с единична връзка с три свободни двойки. И същата ситуация важи за кислородния атом долу вдясно. И това, отново, е друга възможна точкова структура. И тези се приемат за резонансни структури една на друга. Начинът да представим това ще е с тази двойна резонансна стрелка тук. И мисля, че когато учениците видят за пръв път резонансни структури, името подсказва, че, в този случай, йонът резонира напред-назад между тези три различни възможни, еднакво валидни точкови структури. И това не е точно каквото се случва. Всяка от тези точкови структури е опит да се представи структурата на йона. Но не са най-добрият начин да направим това. Трябва да помислиш за комбиниране на тези три точкови структури в резонансен хибрид. Нека начертаем просто представяне на начина, по който мислим за резонансен хибрид. Ако комбинирам тези три точкови структури в едно изображение, имах двойна връзка с един кислороден атом във всяка от трите ми резонансни структури. Горният кислороден атом имаше двойна връзка – това е единият случай – долният ляв в средното изображение и долният десен в третото изображение. В реалността, ако вземем хибрид на всички тези неща, можем да помислим за електроните, като че биват делокализирани, или разпръснати, между трите кислородни атома. Вместо да даваме на горния кислороден атом... вместо да правим това двойна връзка, можем да покажем, че в тази област няколко електрона са делокализирани. Тоест това е по-силна връзка от единичната, но не толкова силна като двойната. И можем да направим същото нещо между този азот и този кислороден атом. Електроните биват слабо делокализирани тук. Това не е двойна връзка. Това не е единична връзка. И същата идея е валидна за този азот-кислород тук. Знаем, че йонът изглежда повече като това хибридно изображение, поради дължината на връзката. Когато йонът е измерен по отношение на дължината на връзката, всички азотни и кислородни връзки са с една и съща дължина. И, разбира се, ако помислим само за една от тези резонансни структури като за реално изображение на йона – нека кажем, например, за тази – в този случай няма да е така, понеже знаем, че двойната връзка тук ще е по-къса от една от тези единични връзки азот-кислород. Така че това е предимно хибрид, в който електроните са делокализирани. И това е идеята за резонансни структури.