9.11: Cariche formali

In alcuni casi, ci sono apparentemente più di una struttura di Lewis valida per molecole e ioni poliatomici. Il concetto di cariche formali può essere usato per aiutare a prevedere la struttura di Lewis più appropriata quando esiste più di una struttura ragionevole.

Calcolo dell’addebito formale

La carica formale di un atomo in una molecola è l’ipotetica carica che l’atomo avrebbe se gli elettroni nei legami fossero distribuiti uniformemente tra gli atomi. In alternativa, la carica formale risulta quando dal numero di elettroni di valenza di un atomo neutro, gli elettroni nonbonding vengono prima ridotti, seguiti dalla sottrazione del numero di legami collegati a quell’atomo nella struttura di Lewis.

Pertanto, l’addebito formale è calcolato come segue:

I calcoli formali delle spese possono essere ricontrollati determinando la somma delle spese formali per l’intera struttura. La somma delle cariche formali di tutti gli atomi in una molecola deve essere zero; la somma delle spese formali in un anno dovrebbe essere uguale alla carica dello ione. Ricordate che la carica formale calcolata per un atomo non è la carica effettiva dell’atomo nella molecola. L’addebito formale è solo un’utile procedura contabile; non indica la presenza di addebiti effettivi.

Calcolo della carica formale da Lewis Structures

Vengono seguiti i seguenti passaggi per assegnare cariche formali a ciascun atomo nello ione interalogeno ICl₄⁻.

Passo 1. Dividi equamente le coppie di elettroni di legame per tutti i legami I-Cl:

Passo 2. Assegnate coppie solitarie di elettroni ai loro atomi. Ogni atomo di cloro ora ha sette elettroni assegnati ad esso, e l’atomo di iodio ne ha otto.

Passo 3. Sottrarre questo numero dal numero di elettroni di valenza per l’atomo neutro:
Iodio: 7 – 8 = –1
Cloro: 7 – 7 = 0
La somma delle cariche formali di tutti gli atomi è uguale a –1, che è identica alla carica dello ione (–1).

Utilizzo della carica formale per prevedere la struttura molecolare

La disposizione degli atomi in una molecola o in uno ione è chiamata sua struttura molecolare. In molti casi, seguire i passaggi per scrivere le strutture di Lewis può portare a più di una possibile struttura molecolare – molteplici legami diversi e posizionamenti di elettroni a coppia solitaria o diverse disposizioni di atomi, per esempio. Alcune linee guida che coinvolgono la carica formale possono essere utili per decidere quale delle possibili strutture è più probabile per una particolare molecola o ione:

1. Una struttura molecolare in cui tutte le cariche formali sono zero è preferibile a una in cui alcune cariche formali non sono zero.
2. Se la struttura di Lewis deve avere cariche formali non nulle, è preferibile l’accordo con le più piccole cariche formali non zero.
3. Le strutture di Lewis sono preferibili quando le cariche formali adiacenti sono zero o del segno opposto.
4. Quando si sceglie tra diverse strutture di Lewis con distribuzioni simili di cariche formali, è preferibile la struttura con le cariche formali negative sugli atomi più elettronegativi.

Per vedere come si applicano queste linee guida, prendere in considerazione alcune possibili strutture per l’anidride carbonica, CO₂. È noto che l’atomo meno elettronegativo occupa tipicamente la posizione centrale, ma le cariche formali aiutano a capire perché ciò si verifica. Si possono disegnare tre possibilità per la struttura: carbonio al centro con due doppi legami, carbonio al centro con un legame singolo e triplo, e ossigeno al centro con doppi legami.

Confrontando le tre cariche formali, la struttura a sinistra può essere identificata come preferibile perché ha solo oneri formali pari a zero.

Come altro esempio, lo ione tiocianato, uno ione formato da un atomo di carbonio, un atomo di azoto e un atomo di zolfo, potrebbe avere tre diverse strutture molecolari: NCS–, CNS–, o CSN-. Le cariche formali presenti in ognuna di queste strutture molecolari possono aiutare a scegliere la disposizione più probabile degli atomi. Possibili strutture di Lewis e le cariche formali per ciascuna delle tre possibili strutture per lo ione tiocianato sono: carbonio al centro con doppi legami, azoto al centro con doppi legami e zolfo al centro con doppi legami.

Si noti che la somma delle spese formali in ogni caso è uguale alla carica dello ione (–1). Tuttavia, la prima disposizione di atomi con carbonio al centro è preferita perché ha il minor numero di atomi con cariche formali diverse da zero. Inoltre, posiziona l’atomo meno elettronegativo al centro e la carica negativa sull’elemento più elettronegativo.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Chapter 7.4 Formal Charges and Resonance.