Mesomerie: Grenzstrukturen sicher verstehen

Eine Lewis-Formel ordnet Elektronenpaare bestimmten Atomen und Bindungen zu. Bei einem mesomeren Teilchen sind mehrere Zuordnungen möglich, ohne dass sich die Anordnung der Atome ändert. Grenzstrukturen sind gedachte Darstellungen. Das Teilchen springt nicht zwischen ihnen hin und her; zwischen ihnen besteht kein chemisches Gleichgewicht. Der reale Zustand ist delokalisiert. Der Mesomeriepfeil ↔ verbindet Zeichnungen desselben Teilchens. Der Gleichgewichtspfeil ⇌ steht dagegen zwischen tatsächlich vorhandenen, ineinander übergehenden Teilchen.

Beim Zeichnen werden nur nichtbindende Elektronenpaare oder Elektronenpaare aus Mehrfachbindungen zu einem benachbarten Atom oder einer benachbarten Bindung neu zugeordnet. Atomkerne und das Grundgerüst bleiben am Platz. Prüfe nach jedem Schritt die Elektronenzahl: Atome der 2. Periode wie C, N und O dürfen höchstens acht Valenzelektronen (ein Oktett) besitzen. Kontrolliere außerdem die Formalladungen und die unveränderte Gesamtladung. Bei Carbonat und Ozon erreichen alle Atome ihr Oktett; Grenzstrukturen mit unvollständigem Oktett, etwa an einem positiv geladenen C-Atom, kommen vor, tragen aber meist weniger bei. Formen mit unnötig vielen Formalladungen oder gleichnamigen Ladungen an Nachbaratomen sind meist ungünstige Beiträge.

Das Carbonat-Ion hat die Formel \ce{CO3^2-}. Der Index 3 zählt drei O-Atome; die hochgestellte 2− ist die Gesamtladung des ganzen Ions, nicht die Ladung jedes O-Atoms. In einer Lewis-Formel zeichnet man formal eine C=O-Doppelbindung und zwei C–O-Einfachbindungen. An der Doppelbindung liegen zwei bindende Elektronenpaare, an jeder Einfachbindung eines: insgesamt vier.

Jedes der drei Sauerstoffatome kann formal die Doppelbindung tragen. So entstehen drei gleichwertige Grenzstrukturen. Die beiden einfach gebundenen O-Atome tragen darin jeweils eine negative Formalladung; ihre Summe ist 2−. Nur die Zuordnung der Elektronenpaare ändert sich. Im realen Ion ist die Elektronenverteilung über alle drei C–O-Bindungen delokalisiert.

Eine formale Einfachbindung ist gewöhnlich länger als eine entsprechende Doppelbindung. Im Carbonat-Ion verteilt sich der Mehrfachbindungscharakter über drei C–O-Bindungen. Sie sind gleichwertig und gleich lang. Auch Ozon zeigt das Prinzip: Eine Grenzstruktur zeichnet eine Einfach- und eine Doppelbindung, während die beiden realen O–O-Bindungen gleich lang sind.

Bei Benzol zeigen zwei Grenzstrukturen drei C–C-Einfach- und drei C=C-Doppelbindungen an verschiedenen Stellen. Wäre eine Zeichnung die reale Struktur, müssten unterschiedliche Bindungslängen auftreten. Tatsächlich sind die sechs C–C-Bindungen gleich lang; sechs π-Elektronen sind über den Ring delokalisiert. Diese Delokalisierung stabilisiert das reale Benzol gegenüber einer hypothetischen Struktur mit drei isolierten Doppelbindungen. Warum Benzol deshalb bevorzugt substituiert statt addiert, erklärt die Seite Benzol.