共振 Resonance

化學原理啟迪354

Beethoven violin sonata in G major_ I. Allegro assai

1.     有時候某個分子可能的路易斯結構不只一個。我們舉硝酸根離子NO3^－的路易斯結構為例，硝酸根離子共有24個價電子。硝酸根離子的路易斯結構如下，每個原子都包圍著8顆價電子：

2.     如果這個結構精確地反應出硝酸根離子內的鍵結情形，那麼分子應該有二種N－O鍵，一種是雙鍵且比較短的化學鍵，另一種是二個相等的單鍵，這二個單鍵長度比較長的化學鍵。

3.     然而實驗顯示，硝酸根離子NO3^－只有一種N－O鍵，它介於單鍵與雙鍵之間。所以上面所描繪的路易斯結構雖然是對的，卻沒有完全正確地反映出硝酸根離子NO3^－內部化學鍵的情形，這意味著模型必須被修正。

4.     再檢視一次硝酸根離子NO3^－發現，三個N－O鍵應該都有可能是雙鍵，因此硝酸根離子NO3^－應該有三種正確的路易斯結構：

5.     這三種路易斯結構中，有沒有哪一個結構完全正確地描述了硝酸根離子NO3^－內部的鍵結情形？沒有，因為硝酸根離子NO3^－裡面的構造不是一個雙鍵二個單鍵，而是三個相等的化學鍵。

6.     硝酸根離子NO3^－正確的描述不是三種路易斯結構中的某一個構造，而是這三個路易斯結構重疊在一起的結果。

7.     再提醒一次，真實的硝酸根離子NO3^－不是這三種極端的路易斯結構的任何一種，相反地，它是這三種構造的平均。

8.     當一個分子有超過一個以上的路易斯結構，這幾個結構彼此會發生共振resonance。分子的電子構造就是這幾個共振結構的平均。我們用雙鍵來說明分子在幾種不同的路易斯結構之間共振的情形：

9.     特別留意，以上所有共振結構，各原子的原子核都一樣，只有電子的位置不同。箭頭並不是指分子從某種路易斯結構跳到另一種路易斯結構，這些箭號的意思是三種共振結構的平均。

10. 共振的觀念是十分必要的，因為定域化電子模型LEmodel將電子放在每一對原子之間。然而，自然界的物質其電子並不是如此。電子實際上是非定域的，它們可以在整個分子內移動。

11. 硝酸根離子NO3^－的價電子是平均分佈的，因此三個N－O鍵長度一樣。共振能夠彌補定域化電子模型LE model將電子固定放在每一對原子之間之間的缺陷。

12. 【例題】用定域化電子模型LE model，描述亞硝酸陰離子NO2^－的電子排列方式。

【解題】

我們將按照程序尋找亞硝酸陰離子NO2^－的路易斯結構。

亞硝酸陰離子NO2^－共有5＋2(6)＋1＝18個價電子。

先設定亞硝酸陰離子NO2^－的氮與氧之間以單鍵鍵結

O－N－O

扣除上圖N－O單鍵上的4個電子，將剩下的14顆電子（18－4）分配到各原子，使各原子外面包圍8顆價電子：

這是共振的二個路易斯結構。分子的電子實際分佈構造並沒有完全反應在任何一個共振結構上，不過基本上就是這二個共振結構的平均。實際上的亞硝酸陰離子NO2^－的二個N－O鍵是相等的，介於單鍵與雙鍵之間。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Catalog.flatworldknowledge.com、Studyblue.com、Chemistry.about.com、Sparkcharts.sparknotes.com