9.11: Cargas Formales

En algunos casos, aparentemente hay más de una estructura de Lewis válida para moléculas e iones poliatómicos. El concepto de cargas formales puede ser usado para ayudar a predecir la estructura de Lewis más apropiada cuando existe más de una estructura razonable.

Calcular la carga formal

La carga formal de un átomo en una molécula es la carga hipotética que tendría el átomo si los electrones en los enlaces se distribuyen uniformemente entre los átomos. Alternativamente, la carga formal resulta cuando a partir del número de electrones de valencia de un átomo neutro, los electrones no enlazados se reducen primero, seguidos por la resta del número de enlaces unidos a ese átomo en la estructura de Lewis.

Por lo tanto, la carga formal se calcula de la siguiente manera: 

Los cálculos de cargas formales se pueden verificar determinando la suma de las cargas formales para toda la estructura. La suma de las cargas formales de todos los átomos en una molécula debe ser cero; la suma de las cargas formales en un ion debe ser igual a la carga del ion. Recuerde que la carga formal calculada para un átomo no es la carga real del átomo en la molécula. La carga formal es sólo un procedimiento útil de contabilidad; no indica la presencia de cargas reales.

Calculando la carga formal de las estructuras de Lewis

Se siguen los siguientes pasos para asignar cargas formales a cada átomo en el ion interhalógeno ICl₄⁻.

Paso 1.Divida los pares de electrones del enlace por igual para todos los enlaces I–CL:

Paso 2.Asigne pares de electrones solitarios a sus átomos. Cada átomo de cloro ahora tiene siete electrones asignados, y el átomo de yodo tiene ocho.

Paso 3.Reste este número del número de electrones de valencia para el átomo neutro:
Yodo: 7 – 8 = –1
Cloro: 7 – 7 = 0
La suma de las cargas formales de todos los átomos es igual a –1, que es idéntica a la carga del ión (–1).

Uso de las cargas formales para predecir la estructura molecular

La disposición de los átomos en una molécula o ión se llama su estructura molecular. En muchos casos, seguir los pasos para escribir las estructuras de Lewis puede conducir a más de una estructura molecular posible — múltiples enlaces diferentes y colocaciones de pares de electrones solitarios o diferentes arreglos de átomos, por ejemplo. Unas pocas pautas que implican la carga formal pueden ser útiles para decidir cuál de las posibles estructuras es más probable para una molécula o ión particular:

1. Una estructura molecular en la que todas las cargas formales son cero es preferible a una en la que algunas cargas formales no son cero.
2. Si la estructura de Lewis debe tener cargas formales distintas de cero, es preferible la disposición con las cargas formales más pequeñas distintas de cero.
3. Las estructuras de Lewis son preferibles cuando las cargas formales adyacentes son cero o del signo opuesto.
4. Al elegir entre varias estructuras de Lewis con distribuciones similares de cargas formales, es preferible la estructura con cargas formales negativas en los átomos más electronegativos.

Para ver cómo se aplican estas directrices, considere algunas estructuras posibles para el dióxido de carbono, CO₂. Se sabe que el átomo menos electronegativo ocupa típicamente la posición central, pero las cargas formales ayudan a entender por qué ocurre esto. Se pueden trazar tres posibilidades para la estructura: Carbono en el centro con dos enlaces dobles, carbono en el centro con un enlace sencillo y uno triple, y oxígeno en el centro con enlaces dobles. 

Al comparar las tres cargas formales, la estructura de la izquierda puede ser identificada como preferible porque sólo tiene cargas formales de cero.

Como otro ejemplo, el ion tiocianato, un ion formado por un átomo de carbono, un átomo de nitrógeno y un átomo de azufre, podría tener tres estructuras moleculares diferentes: NCSndash;, CNS–, o CSN–. Las cargas formales presentes en cada una de estas estructuras moleculares pueden ayudar a escoger la disposición más probable de los átomos. Las posibles estructuras de Lewis y las cargas formales para cada una de las tres estructuras posibles para el ion tiocianato son: Carbono en el centro con enlaces dobles, nitrógeno en el centro con enlaces dobles, y azufre en el centro con enlaces dobles. 

Tenga en cuenta que la suma de las cargas formales en cada caso es igual a la carga del ion (–1). Sin embargo, se prefiere la primera disposición de átomos con carbono en el centro porque tiene el menor número de átomos con cargas formales distintas de cero. Además, coloca el átomo menos electronegativo en el centro y la carga negativa en el elemento más electronegativo.

Este texto es adaptado deOpenstax, Química 2e, Capítulo 7.4 Cargas Formales y Resonancia.