Química de resonancia

¿Qué es la resonancia?

Algunas moléculas no pueden describirse exactamente con un solo diagrama de Lewis. Por ejemplo, el ozono, _O3. Dibujemos su estructura de Lewis, siguiendo los siguientes pasos:

1. Calcula el número total de electrones de valencia de la molécula.
2. Dibuja la posición aproximada de los átomos en la molécula.
3. Une los átomos mediante enlaces covalentes simples.
4. Añade electrones a los átomos exteriores hasta que tengan las capas exteriores llenas de electrones.
5. Cuenta cuántos electrones has añadido y réstalos del número total de electrones de valencia de la molécula que has calculado antes. Así sabrás cuántos electrones te quedan.
6. Añade los electrones restantes al átomo central.
7. Utiliza los pares de electrones solitarios de los átomos exteriores para formar dobles enlaces covalentes con el átomo central hasta que todos los átomos tengan sus capas exteriores completas.

En primer lugar, el oxígeno pertenece al grupo VI, por lo que cada átomo tiene seis electrones de valencia. Esto significa que la molécula tiene 3(6) = 18 electrones de valencia.

A continuación, vamos a dibujar una versión aproximada de la molécula. Está formada por tres átomos de oxígeno. Los uniremos mediante enlaces covalentes simples.

Resonancia en el ozono. Originales de StudySmarter

Añade electrones a los dos átomos de oxígeno exteriores hasta que tengan las capas exteriores llenas. En este caso, añadimos seis electrones a cada uno.

Resonancia en el ozono. StudySmarter Originales

Cuenta cuántos electrones has añadido. Hay dos pares enlazados y seis pares solitarios, lo que da 2(2) + 6(2) = 16 electrones. Sabemos que el ozono tiene 18 electrones de valencia. Por tanto, nos quedan dos por añadir al átomo central de oxígeno.

Resonancia en el ozono. Originales de StudySmarter

Ya hemos alcanzado los 18 electrones de valencia: no podemos añadir más. Pero el oxígeno aún no tiene la capa externa completa: necesita dos electrones más. Para resolver este problema, utilizamos un par solitario de electrones de uno de los átomos de oxígeno exteriores para formar un doble enlace entre él y el oxígeno central. Pero, ¿qué oxígeno exterior forma el doble enlace? Puede ser el oxígeno de la izquierda o el de la derecha. De hecho, ambas opciones son igualmente probables. Estas dos opciones tienen la misma disposición de átomos, pero una distribución diferente de electrones. Las llamamos estructuras de resonancia.

Resonancia en el ozono. Originales de StudySmarter

Sin embargo, hay un problema. Las dos estructuras de resonancia anteriores implican que los enlaces en el ozono, uno doble y otro sencillo, son diferentes. Esperaríamos que el enlace doble fuera mucho más corto y fuerte que el enlace simple. Pero el análisis químico nos dice que los enlaces en el ozono son iguales, lo que significa que el ozono no adopta la forma de ninguna de las dos estructuras de resonancia. De hecho, en lugar de encontrarse como una u otra estructura de resonancia, el ozono adopta lo que se conoce como estructura híbrida. Se trata de una estructura intermedia entre las dos estructuras de resonancia y se muestra con una flecha de doble punta. En lugar de contener un enlace simple y un enlace doble, contiene dos enlaces intermedios que son un promedio del enlace simple y del doble. De hecho, puedes pensar en ellos como enlaces y medio.

Resonancia en el ozono, incluida su estructura híbrida. Originales de StudySmarter

He aquí un resumen de lo que hemos aprendido hasta ahora:

• Algunas moléculas pueden estar representadas por múltiplesestructuras de Lewis alternativas con la misma disposición de átomos pero una distribución diferente de electrones. Estas moléculas presentan resonancia.
• Las estructuras de Lewis alternativas se conocen como estructuras de resonancia. Se combinan para formar una molécula híbrida. La molécula híbrida global no cambia entre cada estructura, sino que adopta una identidad totalmente nueva que es una combinación de todas ellas.

¿Cómo se dibujan las estructuras de resonancia?

Ya hemos aprendido que cuando quieres representar una molécula que muestra resonancia, dibujas todas sus estructuras de resonancia como diagramas de Lewis con flechas de doble punta entre ellas. También puedes añadir flechas rizadas para mostrar el movimiento de los electrones cuando la molécula "cambia" de una estructura de resonancia a otra. Veamos cómo se aplica esto al ozono, _O3.

Movimiento de electrones en resonancia. Originales de StudySmarter

Para pasar de la estructura de resonancia de la izquierda a la estructura de resonancia de la derecha, se utiliza un par solitario de electrones del átomo de oxígeno de la izquierda para crear un doble enlace O=O. Al mismo tiempo, el doble enlace O=O original que se encuentra entre el oxígeno central y el átomo de oxígeno de la derecha se rompe y el par de electrones se transfiere al átomo de oxígeno de la derecha. Para pasar de la estructura de resonancia de la derecha a la estructura de resonancia de la izquierda, se hace a la inversa.

Sin embargo, estos diagramas pueden ser engañosos. Implican que las moléculas que muestran resonancia pasan parte de su tiempo como una estructura de resonancia y parte de su tiempo como la otra. Sabemos que no es así. En cambio, las moléculas que muestran resonancia adoptan la forma de una molécula híbrida: una estructura única que es un promedio de todas las estructuras de resonancia de la molécula. Las estructuras de resonancia son simplemente nuestra forma de intentar representar una molécula de este tipo y no deben tomarse demasiado al pie de la letra.

Estructura de resonancia y dominancia

En algunos ejemplos de resonancia, las múltiples estructuras de resonancia contribuyen por igual a la estructura híbrida global. Por ejemplo, antes hemos analizado el ozono. Puede describirse utilizando dos estructuras de resonancia. La estructura híbrida global es un promedio perfecto de las dos. Sin embargo, en algunos casos, una estructura tiene más influencia que las otras. Decimos que esta estructura es dominante. La estructura dominante se determina utilizando cargas formales.

En general, suponemos que la estructura de Lewis con cargas formales más próximas a cero es la estructura dominante. Si dos estructuras de resonancia tienen cargas formales equivalentes, supondremos que la estructura de Lewis con la carga formal negativa en el átomo más electronegativo es la estructura dominante.

Observa las tres posibles estructuras de resonancia del dióxido de carbono que se muestran a continuación. En dos de las estructuras, mostradas en el centro y a la derecha, uno de los átomos de oxígeno tiene una carga formal de +1 y el otro tiene una carga formal de -1. En la otra estructura de resonancia, mostrada a la izquierda, todos los átomos tienen una carga formal de +0. Ésta es, por tanto, la estructura dominante.

Estructura dominante en resonancia. Originales de StudySmarter

Pero si todas las estructuras de resonancia tienen las mismas cargas formales, decimos que son equivalentes. Éste es el caso del ozono. En sus dos estructuras de resonancia, hay un átomo de oxígeno con una carga formal de +1, otro con una carga formal de -1 y otro con una carga formal de +0. Estas dos estructuras contribuyen por igual a la estructura híbrida del ozono.

Estructuras equivalentes en resonancia. Originales de StudySmarter

Lo diremos de nuevo: es importante señalar que el ozono no cambia entre una estructura de resonancia y otra. En lugar de ello, adopta una identidad completamente nueva que se encuentra en algún punto intermedio entre ambas. Igual que los osos pizzly no son a veces osos polares y a veces osos pardos, sino una mezcla de ambas especies, el ozono no es a veces una estructura de resonancia y a veces la otra. Debe combinar ambas estructuras para formar algo totalmente distinto. Decimos que las moléculas que no pueden ser representadas por una sola estructura de Lewis presentan resonancia.

Reglas de resonancia

Podemos reunir lo que hemos aprendido hasta ahora para elaborar algunas reglas de resonancia:

1. Las moléculas que muestran resonancia están representadas por múltiples estructuras de resonancia. Todas ellas deben ser estructuras de Lewis factibles.
2. Las estructuras de resonancia tienen la misma disposición de átomos pero diferentes disposiciones de electrones.
3. Las estructuras de resonancia sólo difieren en la posición de sus enlaces pi. Todos los enlaces sigma permanecen inalterados.
4. Las estructuras de resonancia contribuyen a una molécula híbrida global. No todas las estructuras de resonancia contribuyen por igual a la molécula híbrida; la estructura más dominante es la que tiene las cargas formales más próximas a +0.

Ejemplos de resonancia

Para terminar este artículo, veamos otros ejemplos de resonancia. En primer lugar: el ion nitrato, ^NO3-. Está formado por tres átomos de oxígeno unidos a un átomo de nitrógeno central y tiene tres estructuras de resonancia equivalentes, que difieren en la posición del doble enlace N=O. El orden de enlace N-O de la molécula híbrida resultante es 1,33.

Resonancia en el ion nitrato. Originales de StudySmarter

Otro ejemplo común de resonancia es el benceno, _C6H6. El benceno está formado por un anillo de átomos de carbono, cada uno unido a otros dos átomos de carbono y a un átomo de hidrógeno. Tiene dos estructuras de resonancia; el enlace C-C resultante tiene un orden de enlace de 1,5.

Resonancia en el benceno. commons.wikimedia.org

Por último, aquí tenemos el ion carbonato, ^CO32-. Al igual que el ion nitrato, tiene tres estructuras de resonancia y el orden de enlace C-O es 1,33.

Resonancia en el ion carbonato. commons.wikimedia.org

Hemos llegado al final de este artículo sobre la resonancia en química. A estas alturas, deberías entender qué es la resonancia y ser capaz de explicar cómo contribuyen las estructuras de resonancia a una molécula híbrida global. También deberías ser capaz de dibujar estructuras de resonancia para moléculas específicas, determinar la estructura de resonancia dominante utilizando cargas formales y calcular el orden de los enlaces en moléculas híbridas de resonancia.