Chimie de résonance

Qu'est-ce que la résonance ?

Certaines molécules ne peuvent pas être décrites avec précision par un seul diagramme de Lewis. Prenons l'exemple de l'ozone, _O3. Dessinons sa structure de Lewis en suivant les étapes suivantes :

1. Détermine le nombre total d'électrons de valence de la molécule.
2. Dessine la position approximative des atomes dans la molécule.
3. Relie les atomes par des liaisons covalentes simples.
4. Ajoute des électrons aux atomes extérieurs jusqu'à ce qu'ils aient des enveloppes extérieures pleines d'électrons.
5. Compte le nombre d'électrons que tu as ajoutés et soustrais-le du nombre total d'électrons de valence de la molécule que tu as calculé plus tôt. Cela t'indique combien d'électrons il te reste.
6. Ajoute les électrons restants à l'atome central.
7. Utilise les paires d'électrons solitaires des atomes extérieurs pour former des liaisons covalentes doubles avec l'atome central jusqu'à ce que tous les atomes aient des enveloppes extérieures complètes.

Tout d'abord, l'oxygène fait partie du groupe VI et chaque atome possède donc six électrons de valence. Cela signifie que la molécule possède 3(6) = 18 électrons de valence.

Ensuite, dessinons une version approximative de la molécule. Elle se compose de trois atomes d'oxygène. Nous les relierons à l'aide de liaisons covalentes simples.

Résonance dans l'ozone. Originaux de StudySmarter

Ajoute des électrons aux deux atomes d'oxygène extérieurs jusqu'à ce qu'ils aient des enveloppes extérieures pleines. Dans ce cas, nous ajoutons six électrons à chacun d'eux.

Résonance dans l'ozone. StudySmarter Originals

Compte le nombre d'électrons que tu as ajoutés. Il y a deux paires liées et six paires solitaires, ce qui donne 2(2) + 6(2) = 16 électrons. Nous savons que l'ozone possède 18 électrons de valence. Il nous en reste donc deux à ajouter à l'atome d'oxygène central.

Résonance dans l'ozone. Originaux de StudySmarter

Nous avons maintenant atteint 18 électrons de valence - nous ne pouvons plus en ajouter. Mais l'oxygène n'a toujours pas une enveloppe extérieure complète - il lui faut deux électrons supplémentaires. Pour résoudre ce problème, nous utilisons une paire d'électrons solitaire de l'un des atomes d'oxygène extérieurs pour former une double liaison entre lui et l'oxygène central. Mais quel est l'oxygène extérieur qui forme la double liaison ? Il peut s'agir de l'oxygène de gauche ou de l'oxygène de droite. En fait, les deux options sont aussi probables l'une que l'autre. Ces deux options ont la même disposition des atomes mais une distribution différente des électrons. Nous les appelons structures de résonance.

Résonance dans l'ozone. StudySmarter Originals

Il y a cependant un problème. Les deux structures de résonance ci-dessus impliquent que les liaisons de l'ozone, l'une double et l'autre simple, sont différentes. On s'attendrait à ce que la liaison double soit beaucoup plus courte et plus forte que la liaison simple. Mais l'analyse chimique nous apprend que les liaisons dans l'ozone sont égales, ce qui signifie que l'ozone ne prend la forme d'aucune des structures de résonance. En fait, au lieu de se présenter sous la forme d'une structure de résonance ou d'une autre, l'ozone adopte ce que l'on appelle une structure hybride. Il s'agit d'une structure qui se situe entre les deux structures de résonance et qui est représentée par une flèche à deux têtes. Au lieu de contenir une liaison simple et une liaison double, elle contient deux liaisons intermédiaires qui sont une moyenne de la liaison simple et de la liaison double. En fait, tu peux considérer qu'il s'agit d'une liaison et demie.

Résonance dans l'ozone, y compris sa structure hybride. Originaux de StudySmarter

Voici un résumé de ce que nous avons appris jusqu'à présent :

• Certaines molécules peuvent être représentées par plusieursstructures de Lewis alternatives avec le même arrangement d'atomes mais une distribution différente des électrons. Ces molécules présentent une résonance.
• Les structures de Lewis alternatives sont connues sous le nom de structures de résonance. Elles se combinent pour former une molécule hybride. La molécule hybride globale ne passe pas d'une structure à l'autre, mais prend plutôt une toute nouvelle identité qui est une combinaison de toutes ces structures.

Comment dessiner les structures de résonance ?

Nous avons déjà appris que lorsque tu veux représenter une molécule qui présente une résonance, tu dessines toutes ses structures de résonance sous forme de diagrammes de Lewis avec des flèches à double tête entre elles. Tu peux aussi ajouter des flèches bouclées pour montrer le mouvement des électrons lorsque la molécule "passe" d'une structure de résonance à une autre. Voyons comment cela s'applique à l'ozone, _O3.

Mouvement des électrons dans la résonance. Originaux de StudySmarter

Pour passer de la structure de résonance de gauche à la structure de résonance de droite, une paire d'électrons solitaires de l'atome d'oxygène de gauche est utilisée pour créer une double liaison O=O. En même temps, la double liaison O=O originale entre l'oxygène central et l'atome d'oxygène de droite est rompue et la paire d'électrons est transférée à l'atome d'oxygène de droite. Pour passer de la structure de résonance de droite à la structure de résonance de gauche, tu fais l'inverse.

Cependant, ces diagrammes peuvent être trompeurs. Ils impliquent que les molécules qui présentent une résonance passent une partie de leur temps sous la forme d'une structure de résonance et une autre partie sous la forme d'une autre structure de résonance. Nous savons que ce n'est pas le cas. Les molécules qui présentent une résonance prennent plutôt la forme d'une molécule hybride: une structure unique qui est une moyenne de toutes les structures de résonance de la molécule. Les structures de résonance sont simplement notre façon d'essayer de représenter une telle molécule et ne doivent pas être prises trop au pied de la lettre.

Structure de résonance et dominance

Dans certains exemples de résonance, les multiples structures de résonance contribuent de manière égale à la structure hybride globale. Par exemple, nous avons examiné plus tôt l'ozone. Il peut être décrit à l'aide de deux structures de résonance. La structure hybride globale est une moyenne parfaite des deux. Cependant, dans certains cas, une structure a plus d'influence que les autres. On dit que cette structure est dominante. La structure dominante est déterminée à l'aide des charges formelles.

En général, nous supposons que la structure de Lewis dont les charges formelles sont les plus proches de zéro est la structure dominante. Si deux structures de résonance ont des charges formelles équivalentes, nous supposons que la structure de Lewis avec la charge formelle négative sur l'atome le plus électronégatif est la structure dominante.

Jette un coup d'œil aux trois structures de résonance possibles du dioxyde de carbone, illustrées ci-dessous. Dans deux des structures, au milieu et à droite, l'un des atomes d'oxygène a une charge formelle de +1 et l'autre une charge formelle de -1. Dans l'autre structure de résonance, à gauche, tous les atomes ont une charge formelle de +0. Il s'agit donc de la structure dominante.

Structure dominante en résonance. Originaux de StudySmarter

Mais si toutes les structures de résonance ont les mêmes charges formelles, on dit qu'elles sont équivalentes. C'est le cas de l'ozone. Dans ses deux structures de résonance, il y a un atome d'oxygène avec une charge formelle de +1, un avec une charge formelle de -1 et un avec une charge formelle de +0. Ces deux structures contribuent de manière équivalente à la structure hybride de l'ozone.

Structures équivalentes en résonance. Originaux de StudySmarter

Nous le répétons : il est important de noter que l'ozone ne passe pas d'une structure de résonance à l'autre. Au contraire, il prend une toute nouvelle identité qui se situe quelque part entre les deux. Tout comme les ours pizzly ne sont pas tantôt des ours polaires, tantôt des grizzlis, mais plutôt un mélange des deux espèces, l'ozone n'est pas tantôt une structure de résonance, tantôt l'autre. Tu dois combiner les deux structures pour former quelque chose de tout à fait différent. Nous disons que les molécules qui ne peuvent pas être représentées par une seule structure de Lewis présentent une résonance.

Règles de résonance

Nous pouvons rassembler ce que nous avons appris jusqu'à présent pour établir quelques règles de résonance :

1. Les molécules qui présentent une résonance sont représentées par plusieurs structures de résonance. Celles-ci doivent toutes être des structures de Lewis réalisables.
2. Les structures de résonance ont la même disposition d'atomes mais des arrangements d'électrons différents.
3. Les structures de résonance ne diffèrent que par la position de leurs liaisons pi. Toutes les liaisons sigma restent inchangées.
4. Les structures de résonance contribuent à une molécule hybride globale. Toutes les structures de résonance ne contribuent pas de la même manière à la molécule hybride ; la structure la plus dominante est celle dont les charges formelles sont les plus proches de +0.

Exemples de résonance

Pour terminer cet article, examinons d'autres exemples de résonance. Tout d'abord, l'ion nitrate, ^NO3-. Il est constitué de trois atomes d'oxygène liés à un atome d'azote central et possède trois structures de résonance équivalentes, qui diffèrent par la position de la double liaison N=O. L'ordre des liaisons N-O de la molécule hybride résultante est de 1,33.

Résonance dans l'ion nitrate. Originaux StudySmarter

Le benzène, _C6H6, est un autre exemple courant de résonance. Le benzène est constitué d'un anneau d'atomes de carbone, chacun étant lié à deux autres atomes de carbone et à un atome d'hydrogène. Il possède deux structures de résonance ; la liaison C-C qui en résulte a un ordre de liaison de 1,5.

Résonance dans le benzène. commons.wikimedia.org

Enfin, voici l'ion carbonate, ^CO32-. Comme l'ion nitrate, il possède trois structures de résonance et l'ordre de la liaison C-O est de 1,33.

Résonance dans l'ion carbonate. commons.wikimedia.org

Nous sommes arrivés à la fin de cet article sur la résonance en chimie. À présent, tu devrais comprendre ce qu'est la résonance et être en mesure d'expliquer comment les structures de résonance contribuent à une molécule hybride globale. Tu devrais également être capable de dessiner des structures de résonance pour des molécules spécifiques, de déterminer la structure de résonance dominante à l'aide des charges formelles et de calculer l'ordre des liaisons dans les molécules hybrides de résonance.