La risonanza si riferisce a strutture che non sono facilmente rappresentate da una struttura a punti a singolo elettrone ma che sono intermedi tra due o più strutture disegnate.
La risonanza è facilmente fraintesa in parte a causa del modo in cui alcuni libri di testo di chimica tentano di spiegare il concetto. Nella scienza, le analogie possono fornire un aiuto alla comprensione, ma le analogie non dovrebbero essere prese troppo alla lettera. A volte è meglio usare analogie per introdurre un argomento, ma poi spiegare le differenze e le inevitabili complicazioni come ulteriori dettagli su un argomento complicato. Questo è il caso della risonanza.
Proprio come i principi entropici non possono essere applicati alle singole molecole, è impossibile dire se una determinata molecola con una struttura di risonanza sia letteralmente in una configurazione o nell’altra. La situazione attuale sulla scala molecolare è che ogni configurazione della molecola contribuisce in percentuale alle possibili configurazioni, risultando in una” miscela ” delle possibili strutture. I cambiamenti nella forma molecolare si verificano così rapidamente, e su una scala così piccola, che le reali posizioni fisiche dei singoli elettroni non possono essere conosciute con precisione (a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg). Il risultato di tutta quella complessità è semplicemente questo: le molecole con strutture di risonanza sono trattate come miscele delle loro molteplici forme, con una maggiore percentuale di probabilità data alle configurazioni più stabili.
I nuclei degli atomi non si muovono quando sono rappresentati da disegni di struttura di risonanza. Piuttosto, gli elettroni sono ritratti come se fossero in movimento, invece. La vera situazione è che nessuno può dire con certezza esattamente dove si trova un singolo elettrone in un momento specifico, ma piuttosto la posizione degli elettroni può essere espressa solo come probabilità. Ciò che una struttura a punti sta effettivamente mostrando è dove si trovano quasi certamente gli elettroni, quindi le strutture di risonanza indicano una divisione in quelle stesse probabilità. I chimici sono assolutamente certi dove si trovano gli elettroni quando un carbonio lega quattro idrogeni (metano), ma è meno certo dove si trova esattamente un dato elettrone quando sei carboni legano sei idrogeni in una struttura ad anello (benzene). La risonanza è un’espressione di questa incertezza, ed è quindi la media delle posizioni probabili.
Le strutture di risonanza si stanno stabilizzando nelle molecole perché consentono agli elettroni di allungare le loro lunghezze d’onda e quindi di abbassare la loro energia. Questa è la ragione per cui il benzene (C6H6) ha un calore di formazione inferiore rispetto ai chimici organici, non tenendo conto della risonanza. Altre molecole aromatiche hanno una stabilità simile, che porta ad una preferenza entropica complessiva per l’aromaticità (un argomento che sarà trattato completamente in un capitolo successivo). La stabilità della risonanza gioca un ruolo importante nella chimica organica a causa della minore energia di formazione delle molecole risonanti, quindi gli studenti di chimica organica dovrebbero comprendere questo effetto e praticare l’individuazione di molecole stabilizzate da forme risonanti.
Nelle strutture di Lewis sopra, il carbonato (CO32-) ha una struttura di risonanza. Usando procedure di laboratorio per misurare la lunghezza del legame di ciascun legame, non troviamo che un legame sia più corto degli altri due (ricorda, i doppi legami sono più corti dei singoli legami), ma invece che tutti i legami sono della stessa lunghezza da qualche parte tra la lunghezza dei tipici doppi e singoli legami.
