Формальный заряд

В некоторых случаях, кажется, существует несколько действительных структур Льюиса для молекул и полиатомных ионов. Концепция формальных зарядов может быть использована для прогнозирования наиболее подходящей структуры Льюиса при наличии более чем одной разумной структуры.

Расчет формального заряда

Формальным зарядом атома в молекуле является гипотетический заряд, который будет иметь атом, если электроны в связях равномерно распределены между атомами. В качестве альтернативы, формальный заряд возникает, когда из числа валентных электронов нейтрального атома сначала уменьшаются несвязные электроны, за которыми следует вычитание числа связей, связанных с этим атомом в структуре Льюиса.

Таким образом, формальный заряд рассчитывается следующим образом:  

Формальные расчеты зарядов можно дважды проверить, определив сумму формальных зарядов для всей структуры. Сумма формальных зарядов всех атомов в молекуле должна быть равна нулю; сумма формальных зарядов в ионе должна равняться заряду иона. Помните, что формальный заряд, рассчитанный для атома, не является фактическим зарядом атома в молекуле. Формальный заряд является лишь полезной процедурой учета; он не указывает на наличие фактических зарядов.

Расчет формального заряда из структур Льюиса

Для того чтобы назначить каждому атому формальные заряды в межгалогенном ионе ICl₄^{, необходимо выполнить следующие действия}.

Шаг 1. Разделите пары электронной связи поровну для всех связей I–Cl:

Шаг 2. Назначить неподелённые парам электронов атомам. Каждый атом хлора теперь имеет семь электронов, и атом йода имеет восемь.

Шаг 3. Вычтите это число из числа валентных электронов для нейтрального атома:
Йод: 7 – 8 = –1
Хлор: 7 – 7 = 0
Сумма формальных зарядов всех атомов равна –1, что идентично заряду иона (–1).

Использование формального заряда для прогнозирования молекулярной структуры

Расположение атомов в молекуле или ионе называется его молекулярной структурой. Во многих случаях, следуя шагам написания структур Льюиса, может привести к более чем одной возможной молекулярной структуре — множеству различных связей и размещению электрона в неподелённной паре или с различным структурам атомов. Несколько рекомендаций, включающих формальный заряд, могут быть полезны при определении возможных структур, наиболее вероятных для определенной молекулы или иона:

1. Молекулярная структура, в которой все формальные заряды равны нулю, предпочтительнее той, в которой некоторые формальные заряды не равны нулю.
2. Если структура Льюиса должна иметь ненулевые формальные заряды, предпочтительно расположение с наименьшими ненулевыми формальными зарядами.
3. Структуры Льюиса предпочтительны, если соседние формальные заряды равны нулю или противоположные знаки.
4. При выборе из нескольких структур Льюиса с подобным распределением формальных зарядов предпочтительна структура с отрицательными формальными зарядами на более электроотрицательных атомах.

Чтобы узнать, как применяются эти рекомендации, рассмотрите некоторые возможные структуры для углекислого газа, CO₂. Известно, что менее электронегативный атом обычно занимает центральное положение, но формальные заряды помогают понять, почему это происходит. Можно нарисовать три варианта структуры: Углерод в центре с двумя двойными связями, углерод в центре с одной и тройной связью, а кислород в центре с двойными связями.  

При сравнении трех формальных зарядов, структура слева может быть определена как предпочтительная, потому что она имеет только формальные заряды, которые равны нулю.

В качестве другого примера можно привести ион тиоцианата, ион, образованный из атома углерода, атома азота и атома серы, может иметь три различных молекулярных структуры: NCS–, CNS– или CSN–. Формальные заряды, присутствующие в каждой из этих молекулярных структур, могут помочь выбрать наиболее вероятное расположение атомов. Возможные структуры Льюиса и формальные сборы за каждую из трех возможных структур для тиоцианата являются — углерод в центре с двойными связями, азот в центре с двойными связями, и сера в центре с двойными связями.  

Обратите внимание, что сумма формальных зарядов в каждом случае равна сумме заряда иона (–1). Тем не менее, первое расположение атомов с углеродом в центре предпочтительнее, потому что у них самое низкое количество атомов с ненулевыми формальными зарядами. Кроме того, при этом помещается в центр наименее электроотрицательный атом и отрицательный заряд идёт на более электроотрицательный элемент.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., Раздел 7.4 Формальные заряды и резонанс.