Opłaty formalne

W niektórych przypadkach wydaje się, że istnieje więcej niż jedna prawidłowa struktura Lewisa dla cząsteczek i jonów wieloatomowych. Koncepcja opłat formalnych może być wykorzystana do pomocy w przewidywaniu najodpowiedniejszej struktury Lewisa, gdy istnieje więcej niż jedna rozsądna struktura.

Obliczanie opłaty formalnej

Ładunek formalny atomu w cząsteczce to hipotetyczny ładunek, jaki miałby atom, gdyby elektrony w wiązaniach były równomiernie rozmieszczone między atomami. Alternatywnie, ładunek formalny powstaje, gdy z liczby elektronów walencyjnych neutralnego najpierw redukowane są elektrony niewiążące, a następnie odejmuje się liczbę wiązań połączonych z tym atomem w strukturze Lewisa.

W związku z tym opłata formalna jest obliczana w następujący sposób:  

Formalne obliczenia opłat można sprawdzić dwukrotnie, określając sumę opłat formalnych dla całej konstrukcji. Suma ładunków formalnych wszystkich atomów w cząsteczce musi wynosić zero; Suma ładunków formalnych w jonie powinna być równa ładunkowi jonu. Pamiętaj, że ładunek formalny obliczony dla atomu nie jest rzeczywistym ładunkiem atomu w cząsteczce. Formalne obciążenie jest jedynie użyteczną procedurą księgową; Nie wskazuje na obecność rzeczywistych opłat.

Obliczanie opłaty formalnej od struktur Lewisa

Następujące kroki są wykonywane w celu przypisania ładunków formalnych do każdego atomu w jonie międzyhalogenowym ICl₄⁻.

Krok 1. Podziel wiążące pary elektronów równo dla wszystkich wiązań I–Cl:

Krok 2. Przypisz samotne pary elektronów do ich atomów. Każdy atom chloru ma teraz przypisanych siedem elektronów, a atom jodu ma osiem.

Krok 3. Odejmij tę liczbę od liczby elektronów walencyjnych dla neutralnego atomu:
Jod: 7 – 8 = –1
Chlor: 7 – 7 = 0
Suma ładunków formalnych wszystkich atomów wynosi –1, co jest identyczne z ładunkiem jonu (–1).

Wykorzystanie ładunku formalnego do przewidywania struktury molekularnej

Ułożenie atomów w cząsteczce lub jonie nazywa się jego strukturą molekularną. W wielu przypadkach postępowanie zgodnie z instrukcjami zapisywania struktur Lewisa może prowadzić do więcej niż jednej możliwej struktury molekularnej – na przykład wielu różnych wiązań i rozmieszczenia elektronów w samotnej parze lub różnych układów atomów. Kilka wskazówek dotyczących ładunku formalnego może być pomocnych w podjęciu decyzji, która z możliwych struktur jest najbardziej prawdopodobna dla danej cząsteczki lub jonu:

1. Struktura molekularna, w której wszystkie ładunki formalne są równe zero, jest lepsza niż taka, w której niektóre ładunki formalne nie są zerowe.
2. Jeśli struktura Lewisa musi mieć niezerowe opłaty formalne, preferowany jest układ z najmniejszymi niezerowymi opłatami formalnymi.
3. Struktury Lewisa są preferowane, gdy sąsiednie ładunki formalne mają zero lub przeciwny znak.
4. Wybierając spośród kilku struktur Lewisa o podobnych rozkładach ładunków formalnych, preferowana jest struktura z ujemnymi ładunkami formalnymi na bardziej elektroujemnych atomach.

Aby zobaczyć, w jaki sposób te wytyczne mają zastosowanie, rozważ niektóre możliwe struktury dwutlenku węgla, CO₂ . Wiadomo, że mniej elektroujemny atom zazwyczaj zajmuje centralną pozycję, ale ładunki formalne pomagają zrozumieć, dlaczego tak się dzieje. Można narysować trzy możliwości struktury: węgiel w środku z dwoma wiązaniami podwójnymi, węgiel w środku z wiązaniem pojedynczym i potrójnym oraz tlen w środku z wiązaniami podwójnymi. 

Porównując te trzy ładunki formalne, struktura po lewej stronie może być uznana za preferowaną, ponieważ ma tylko ładunki formalne równe zero.

Innym przykładem może być jon tiocyjanianowy, jon utworzony z atomu węgla, atomu azotu i atomu siarki, może mieć trzy różne struktury molekularne: NCS–, CNS–lub CSN–. Ładunki formalne obecne w każdej z tych struktur molekularnych mogą pomóc w wyborze najbardziej prawdopodobnego układu atomów. Możliwe struktury Lewisa i formalne ładunki dla każdej z trzech możliwych struktur jonu tiocyjanianowego to – węgiel w środku z wiązaniami podwójnymi, azot w środku z wiązaniami podwójnymi i siarka w środku z wiązaniami podwójnymi. 

Należy zauważyć, że suma ładunków formalnych w każdym przypadku jest równa ładunkowi jonu (–1). Jednak pierwszy układ atomów z węglem w środku jest preferowany, ponieważ ma najmniejszą liczbę atomów z niezerowymi ładunkami formalnymi. Ponadto umieszcza najmniej atomu elektroujemnego w środku, a ładunek ujemny na bardziej elektroujemnym elemencie.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemia 2e, Rozdział 7.4 Ładunki formalne i rezonans.