9.11:
Формальный заряд
9.11:
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:
- Молекулярная структура, в которой все формальные заряды равны нулю, предпочтительнее той, в которой некоторые формальные заряды не равны нулю.
- Если структура Льюиса должна иметь ненулевые формальные заряды, предпочтительно расположение с наименьшими ненулевыми формальными зарядами.
- Структуры Льюиса предпочтительны, если соседние формальные заряды равны нулю или противоположные знаки.
- 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.