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9.11: 形式电荷
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9.11: 形式电荷

在某些情况下,分子和多原子离子离子似乎有多个有效的路易斯结构。 当存在多个合理的结构时,形式电荷的概念可用于帮助预测最合适的路易斯结构。

正在计算形式电荷

分子中原子的形式电荷是如果键中的电子在原子之间均匀分布时原子会产生的假设电荷。 或者,当从中性原子的价电子数量开始,非粘接电子首先被减少,然后在路易斯结构中减去与该原子连接的键数量时,形式电荷会产生结果。

因此,形式电荷的计算方法如下:  

Eq1

形式电荷计算可以由确定对整个结构的形式电荷总和进行双重检查。 分子中所有原子的形式电荷总和必须为零;离子中的形式电荷总和应等于离子的荷电。 请记住,为原子计算的形式电荷不是原子在分子中的实际电荷。 形式电荷只是一个有用的簿记程序;它不表示存在实际费用。

根据路易斯结构计算形式电荷

按照以下步骤为卤素离子 ICl4− 中的每个原子分配形式电荷

步骤 1. 所有 I – CL 键的键电子线对平均除法:

Figure1

步骤 2. 为原子分配单对电子。 现在每个氯原子都有七个电子分配给它,而碘原子有八个电子分配给它。

步骤 3. 从中性原子的价电子数中减去该数值:
碘: 7 – 8 = – 1
氯: 7 – 7 = 0
所有原子的形式电荷总和等于– 1 ,这与离子荷电 (– 1) 相同。

使用形式电荷预测分子结构

分子或离子中原子的排列称为其分子结构。 在许多情况  下,按照编写路易斯结构的步骤可能会导致多个可能的分子结构——多个不同的键和单对电子放置或原子的不同排列。 一些涉及形式电荷的指南有助于确定哪种可能的结构最有可能用于特定分子或离子:

  1. 所有形式电荷均为零的分子结构比某些形式电荷并非为零的分子结构更可取。
  2. 如果路易斯结构必须具有非零形式电荷,则最好采用最小非零形式电荷的排列方式。
  3. 当相邻的形式电荷为零或相反符号时,路易斯结构更可取。
  4. 当从多个具有类似形式电荷分布的路易斯结构中进行选择时,在更具电子性的原子上使用负形式电荷的结构更可取。

为了了解这些准则的适用情况,请考虑二氧化碳和二氧化碳的一些可能结构。 众所周知,电离较少的原子通常占据中心位置,但形式电荷有助于了解为什么会发生这种情况。 结构有三种可能:碳在中心有两个双键,碳在中心有一个和三个键,氧气在中心有双键。  

Figure2

通过比较三个形式电荷,可以将左侧的结构确定为最佳结构,因为它只有形式电荷为零。

另一个例子是,硫氰酸酯离子,一种由碳原子,一种氮原子和一种硫原子形成的离子,可能有三种不同的分子结构: NCS , CNS 或 CSN。 这些分子结构中的形式电荷可以帮助选择最可能的原子排列。 硫氰酸酯离子的三种可能结构中的每一种可能的路易斯结构和形式电荷是:碳在中心,双键,氮在中心,双键,硫在中心,双键。  

Figure3

请注意,每种情况下形式电荷的总和等于离子 (– 1) 的电荷。 但是,首选的是原子在中心使用碳的第一种排列方式,因为原子的非零形式电荷数量最少。 此外,它还将电离原子置于中心位置,负电荷则置于电离更强的元件上。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 章节 7.4 形式电荷与共振。

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