Resonance (English spelling)

Japanese: 共鳴 - きょうめい（英語表記）resonance

[1] The phenomenon in which a vibrating body begins to vibrate when it is subjected to an external force with a periodicity close to its natural frequency. For example, if two tuning forks are placed some distance apart and one is vibrated, the other may also begin to vibrate. This does not occur if the natural frequencies of the two tuning forks are significantly different; it occurs more as their natural frequencies approach each other, and is most violent when the natural frequencies are exactly the same. Resonance can be seen in sound waves, light waves, electrical vibrations, and general mechanical vibrations. It is also called resonance.

[2] Resonance between light and matter This occurs when the difference in energy levels within a material matches the wavelength of the incident light. This resonance is observed as an absorption spectrum, and measuring the position and intensity of the absorption provides clues to the structure and properties of the material.

[3] Resonance in molecular structure When the molecular structure of a substance cannot be expressed by a single bond structure alone, but is understood as a superposition of several bond structures, the molecule is said to be in resonance between these multiple bond structures, and each bond structure involved in the resonance is called an ultimate structural formula.

When the resonance of [3] is viewed from a quantum mechanical perspective, the eigenfunction Ψ (psi) that represents the actual molecular structure is expressed as a linear combination of the wave functions ψ ₁ , ψ ₂ , ψ ₃ , … corresponding to all possible limiting structural formulas. Ψ = c ₁ ψ ₁ + c ₂ ψ ₂ + c ₃ ψ ₃ + …. Here, c ₁ , c ₂ , c ₃ , … are coefficients that indicate the degree of occurrence of the corresponding states such as ψ _1. For example, a benzene molecule has a structure (Ψ) in which six carbons form a regular hexagon. The bond distance between the carbons is equal, 139 picometers. Since the valence of carbon is tetravalent, the structure of benzene can be written as (1) or (2) in the figure . The bond distance between carbons is 154 picometers for a single bond and 139 picometers for a double bond, so the structure (1) does not form a regular hexagon. However, when (1) and (2) are superimposed, the bond between carbons becomes the average value of the single and double bonds, and it does form a regular hexagon. However, the actual bond distance is 139 picometers, which is not a simple average value. Dewar in England thought that double bonds between carbons do not necessarily have to exist only between adjacent carbons, and considered the limit structures shown in (3), (4), and (5) in the figure . Taking this state into consideration, the eigenfunction Ψ of benzene is as follows:

Ψ＝c ₁ ψ ₁ +c ₂ ψ ₂ +c ₃ ψ ₃ +c ₄ ψ ₄ +c ₅ ψ ₅
Using this formula, the bond order between carbon atoms in benzene is 1.33, which explains the bond distance between carbon atoms observed. The limiting structural formulas (1) and (2) in the figure are called Kekulé structural formulas.

Chemical resonance occurs in molecules with conjugated double bonds in this way, but allyl radicals and organic fatty acids also require resonance structures.

As seen in the examples so far, the structures in which resonance occurs have no or very little change in atomic arrangement. Resonance occurs between isomers that are different structures in classical terms, but only differ in the arrangement of atoms. Such isomers are called electron isomers.

Since the potential energy of an actual molecule is the lowest, the energy of the ultimate structural formula is high. The difference is called the resonance energy. The resonance energy is also called the stabilization energy because it indicates the degree to which the molecule is stabilized as a result of resonance.

Resonance is one of the basic concepts in organic electronic theory, and is useful for rationally explaining not only molecular structure but also properties such as reactivity, acidity, and baseness.

[Takashi Shimozawa]

Resonance structures

This refers to a molecular structure that cannot be expressed by a single structural formula due to resonance. As already mentioned, (1) to (5) in the figure are all structural formulas of benzene, and since they resonate with each other, these structures are called resonance structural formulas. The representation in the figure (6) is a structural formula showing that the double bond of benzene is not localized on any of the six carbon atoms.

The arrangement of atoms in a molecule is shown by a structural formula. In this case, if the molecule has a fixed conformation and the bonds are formed by localized electrons, the molecule can be modeled with a single structural formula. Chemical bonds are generally formed by the overlap of electron clouds or the exchange of electrons. If the electrons are not localized between atoms and can move through adjacent bonds, multiple representations of the bonds with localized electrons must be prepared. When electrons move and are delocalized in this way, the molecule is said to have resonance, and the corresponding molecular structure is called a resonance structure.

[Takashi Shimozawa]

“Chemistry” by Michinori Oki (1975, Maruzen) ▽ “Introduction to Quantum Chemistry Volume 1” by Shinjiro Yonezawa et al. (1970, Kagaku Doujin)”

[Reference] | Resonance | Benzene

Structure of benzene (diagram)
©Shogakukan ">

Structure of benzene (diagram)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

〔1〕振動体がその固有振動数に近い周期性をもった外力を受けたとき、振動を始める現象。たとえば、二つの音叉(おんさ)を多少離して置き、一方を振動させると、他方も振動を始めることがある。これは、二つの音叉の固有振動数が相当違っている場合にはおきず、固有振動数が近づくにつれておこるようになり、正確に等しい固有振動数になったときもっとも激しい。共鳴は音波、光波、電気振動や一般の機械的振動において認められる。共振ともいう。

〔2〕光と物質の間におこる共鳴　物質内のエネルギー準位の差が、入射する光の波長と一致したときに生ずる。この共鳴は吸収スペクトルとして観測され、吸収の位置、強度の測定から物質の構造や性質を知る手掛りを与える。

〔3〕分子構造における共鳴　ある物質の分子構造が一つの結合構造だけでは表現できず、いくつかの結合構造の重ね合わせとして理解される場合、その分子はこれら複数の結合構造の間を共鳴しているといい、共鳴にあずかる個々の結合構造を極限構造式とよぶ。

　〔3〕の共鳴を量子力学的にみれば、実際の分子構造を表す固有関数Ψ(プサイ)は、可能なすべての極限構造式に対応する波動関数ψ₁、ψ₂、ψ₃、……の線型結合で示される。Ψ＝c₁ψ₁＋c₂ψ₂＋c₃ψ₃＋……。ここでc₁、c₂、c₃、……は、対応するψ₁などの状態の出現する度合いを示す係数である。たとえばベンゼン分子は、6個の炭素が正六角形をした構造（Ψ）である。また炭素間の結合距離は等しく139ピコメートルである。炭素の原子価が4価であることから、ベンゼンの構造を書くと図の(1)・(2)が考えられる。炭素間の結合距離は単結合では154ピコメートル、二重結合では139ピコメートルであるから、(1)の構造では正六角形にならない。しかし、(1)と(2)とを重ね合わせると、炭素間の結合は単結合と二重結合との平均値となり、いちおう正六角形にはなる。しかし、実際の結合距離は139ピコメートルであり、単純な平均値ではない。イギリスのデュワーは、炭素間の二重結合はかならずしも隣接する炭素間にのみ存在しなくともよいと考え、図の(3)・(4)・(5)のような極限構造を考えた。この状態を考慮すれば、ベンゼンの固有関数Ψは次のようになる。

　　Ψ＝c₁ψ₁＋c₂ψ₂＋c₃ψ₃＋c₄ψ₄＋c₅ψ₅
　この関係式を用いると、ベンゼンの炭素間の結合次数は1.33となり、実測された炭素間の結合距離がよく説明できる。図の(1)・(2)の極限構造式をケクレの構造式とよぶ。

　このように共役二重結合をもつ分子には化学的共鳴がおこるが、このほかにアリルラジカルや有機脂肪酸も共鳴構造が必要である。

　これまでの例にみるように、共鳴のおこる構造は、互いに原子配置はまったく、あるいはほとんど変わっていない。古典的な表現では異なる構造になっている異性体間で、原子の並び方だけが異なっているような構造の間で共鳴がおこるのである。このような異性体を電子異性体という。

　実際の分子のもつ位置エネルギーは最低であるから、極限構造式のもつエネルギーは高い。その差を共鳴エネルギーという。共鳴エネルギーは、共鳴した結果その分子が安定化した度合いを示すので、安定化エネルギーともいう。

　共鳴は有機電子論の基本的な概念の一つで、分子の構造ばかりでなく、反応性、酸・塩基性などの性質を合理的に説明するのに役だっている。

［下沢　隆］

共鳴構造

分子の構造が共鳴のため一つの構造式では表現できない場合の分子構造をいう。すでに述べたように図の(1)～(5)はいずれもベンゼンの構造式であり、互いに共鳴しているので、これらの構造を共鳴構造式という。図の(6)の表現がベンゼンの二重結合が6個の炭素原子のどれにも局在していないことを示す構造式である。

　分子の中での原子配置は構造式によって示される。その際、分子がある定まった立体配座をもっており、結合が局在化した電子によって形成されていれば、一つの構造式でその分子をモデル化できる。化学結合は一般に電子雲の重なり、あるいは電子のやりとりによって生じている。その電子がある原子間に局在せず隣接する結合を通って移動ができる場合には、電子の局在した結合の表示を幾通りも用意しなければならない。このように電子が動いて非局在化している状態があるとき、分子に共鳴があるといい、それに対応する分子の構造を共鳴構造という。

［下沢　隆］

『大木道則著『化学』（1975・丸善）』▽『米沢真次郎他著『量子化学入門　上』（1970・化学同人）』

[参照項目] | 共振 | ベンゼン

ベンゼンの構造〔図〕

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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