- Kvalitativní výhody použití formálního nákladu
- Vzorec a jak jej vypočítat
- Varianty výpočtu podle struktury
- Příklady výpočtů formálního zatížení
- BF
- BeH
- CO (oxid uhelnatý)
- NH
- Reference
Formální náboj (CF), je taková, která je přiřazena k atomu molekuly nebo iontu, který umožňuje vysvětlit jeho struktury a chemické vlastnosti založené na tom. Tento koncept zahrnuje zohlednění maximálního charakteru kovalence v vazbě AB; to znamená, že pár elektronů je sdílen rovnoměrně mezi A a B.
Abychom porozuměli výše uvedenému, níže uvedený obrázek ukazuje dva spojené atomy: jeden označený písmenem A a druhý označený písmenem B. Jak je vidět, v průsečíku kruhů se vytvoří dvojice ":". Pokud mají A a B v této heteronukleární molekule stejné elektronegativity, pár „:“ zůstává stejně vzdálený od A i B.
Protože však dva různé atomy nemohou mít stejné vlastnosti, pár „:“ je přitahován k elektroničtějšímu. V tomto případě, je-li A elektronegativnější než B, pár ":" je blíže k A než k B. Opak nastává, když je B elektronegativnější než A, nyní se blíží ":" k B.
Takže pro přiřazení formálních poplatků jak A, tak B je nutné zvážit první případ (ten v horní části obrazu). Pokud by se měla čistě kovalentní vazba AB rozbít, došlo by k homolytickému rozpadu, čímž by se vytvořily volné radikály A · a · B.
Kvalitativní výhody použití formálního nákladu
Elektrony nejsou fixovány, jako v předchozím příkladu, ale cestují a jsou ztraceny atomy molekuly nebo iontu. Pokud je to diatomická molekula, je známo, že dvojice „:“ musí být sdílena nebo putována mezi oběma atomy; to samé se děje v molekule typu ABC, ale s větší složitostí.
Když však studujeme atom a předpokládáme kovalenci sto procent ve svých vazbách, je snazší zjistit, zda v rámci sloučeniny získává nebo ztrácí elektrony. Aby bylo možné tento zisk nebo ztrátu určit, musí být váš bazální nebo svobodný stav porovnán s vaším elektronickým prostředím.
Tímto způsobem je možné přiřadit kladný náboj (+), pokud atom ztratí elektron, nebo záporný náboj (-), když naopak získá elektron (značky musí být zapsány uvnitř kruhu).
Ačkoli elektrony tedy nelze přesně lokalizovat, tyto formální (+) a (-) náboje na strukturách se ve většině případů shodují s očekávanými chemickými vlastnostmi.
To znamená, že formální náboj atomu úzce souvisí s molekulární geometrií jeho prostředí a reaktivitou uvnitř sloučeniny.
Vzorec a jak jej vypočítat
Jsou formální poplatky přidělovány svévolně? Odpověď je ne. Z tohoto důvodu je třeba vypočítat zisk nebo ztrátu elektronů za předpokladu čistě kovalentních vazeb, čehož je dosaženo pomocí následujícího vzorce:
CF = (číslo skupiny atomu) - (počet vazeb, které tvoří) - (počet nesdílených elektronů)
Pokud má atom CF s hodnotou +1, je mu přiřazen kladný náboj (+); zatímco pokud máte CF s hodnotou -1, je mu přiřazen záporný náboj (-).
Pro správný výpočet CF je nutné dodržet následující kroky:
- Vyhledejte, ve které skupině se atom nachází v periodické tabulce.
- Spočítejte počet dluhopisů, které vytváří se svými sousedy: dvojné vazby (=) mají hodnotu dvě a trojné vazby mají hodnotu tři (≡).
- Nakonec spočítejte počet nesdílených elektronů, které lze snadno pozorovat pomocí Lewisových struktur.
Varianty výpočtu podle struktury
Vzhledem k lineární molekule ABCD se formální náboje pro každý atom mohou lišit, pokud například struktura je nyní zapsána jako: BCAD, CABD, ACDB atd. Je to proto, že existují atomy, které sdílením více elektronů (vytvářením více vazeb) získávají kladné nebo záporné CF.
Která ze tří možných molekulárních struktur tedy odpovídá sloučenině ABCD? Odpověď zní: ta, která má obecně nejnižší hodnoty CF; podobně ten, který přiřazuje záporné náboje (-) k nejvíce elektronegativním atomům.
Pokud jsou C a D elektronegativnější než A a B, pak sdílením více elektronů získají pozitivní formální náboje (při pohledu z mnemonického pravidla).
Nejstabilnější strukturou a nejvíce energeticky nejvýhodnější je tedy CABD, protože v tomto případě C i B tvoří pouze jednu vazbu. Naproti tomu struktura ABCD a ty, které mají C nebo B tvořící dvě vazby (–C– nebo –D–), jsou nestabilnější.
Která ze všech struktur je nejstabilnější? ACDB, protože nejen C a D tvoří dvě vazby, ale také jejich formální záporné náboje (-) sousedí, což dále destabilizuje strukturu.
Příklady výpočtů formálního zatížení
BF
Atom boru je obklopen čtyřmi atomy fluoru. Protože B patří do skupiny IIIA (13), postrádá nesdílené elektrony a tvoří čtyři kovalentní vazby, jeho CF je (3-4-0 = -1). Na druhé straně pro F, prvek skupiny VIIA (17), jeho CF je (7-6-1 = 0).
K určení náboje iontu nebo molekuly stačí přidat jednotlivé CF atomů, které jej tvoří: (1 (-1) + 4 (0) = -1).
CF pro B však nemá žádný skutečný význam; to znamená, že na něm není umístěna nejvyšší hustota elektronů. Ve skutečnosti je tato hustota elektronů distribuována směrem ke čtyřem atomům F, což je prvek mnohem elektronegativnější než B.
BeH
Atom berylia patří do skupiny IIA (2), tvoří dvě vazby a opět postrádá nesdílené elektrony. CF pro Be a H jsou tedy:
CF Be = 2-2-0 = 0
CF H = 1-1-0 = 0
Zatížení Běh 2 = 1 (0) + 2 (0) = 0
CO (oxid uhelnatý)
Jeho Lewisovu strukturu lze reprezentovat jako: C≡O: (ačkoli má jiné rezonanční struktury). Opakujeme výpočet CF, tentokrát pro C (ze skupiny IVA) a O (ze skupiny VIA), máme:
CF C = 4-3-2 = -1
CF O = 6-3-2 = 1
Toto je příklad, kdy formální poplatky neodpovídají povaze prvků. O je více elektronegativní než C, a proto by neměl nést pozitivní.
Ostatní struktury (C = O a (+) CO (-)), ačkoli splňují koherentní přiřazení nábojů, nesplňují pravidlo oktetu (C má méně než osm valenčních elektronů).
NH
čím více elektronů N sdílí, tím pozitivnější je jeho CF (dokonce i amonný ion, protože nemá žádnou energetickou dostupnost k vytvoření pěti vazeb).
Stejně tak jsme použili výpočty pro N v amonném iontu, amoniaku a amidovém iontu:
CF = 5-4-0 = +1 (NH 4 +)
CF = 5-3-2 = 0 (NH 3)
A nakonec:
CF = 5-2-4 = 1 (NH 2 -)
To znamená, že v NH 2 - N má čtyři nesdílené elektrony a všechny je sdílí, když tvoří NH 4 +. CF pro H se rovná 0, a proto se váš výpočet uloží.
Reference
- James. (2018). Klíčová dovednost: Jak vypočítat formální poplatek. Citováno z 23. května 2018, z: masterorganicchemistry.com
- Dr. Ian Hunt. Katedra chemie, University of Calgary. Formální poplatky. Citováno z 23. května 2018, z: chem.ucalgary.ca
- Formální poplatky.. Citováno z 23. května 2018, z: chem.ucla.edu
- Jeff D. Cronk. Formální poplatek. Citováno 23. května 2018 z: guweb2.gonzaga.edu
- Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chemie. (8. ed.). CENGAGE Learning, str. 268-270.
- Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání., Str. 38). Mc Graw Hill.
- Monica Gonzalezová. (10. srpna 2010). Formální poplatek. Citováno z 23. května 2018, z: quimica.laguia2000.com