Τι είναι η επίσημη χρέωση

Βασικές έννοιες

Τυπική χρέωση είναι μια βασική, βασική έννοια που πρέπει να κατακτήσετε προκειμένου να κατανοήσετε καλύτερα τις μοριακές δομές και τις αντιδράσεις. Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε τι είναι η επίσημη χρέωση, πώς να την υπολογίζετε και τη σημασία της στην πράξη.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Ποσοτικοποίηση πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων
• Κατιόντα και ανιόντα
• Δομές κουκκίδων Lewis
• Δομές συντονισμού

Λεξιλόγιο

• Ιόν: ένα άτομο ή μόριο με καθαρό ιοντικό φορτίο, λόγω της παρουσίας ή της έλλειψης ηλεκτρονίων.
• Μόριο: μια ομάδα ατόμων ενωμένα μεταξύ τους
• Συντονισμός: ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον υβριδικό δεσμό σε ένα μόριο με πολλαπλές πιθανές δομές.

Τι είναι η επίσημη χρέωση;

Τυπική χρέωση είναι ένα φορτίο που αποδίδεται σε ένα άτομο με την υπόθεση ότι όλα τα ηλεκτρόνια στους δεσμούς μοιράζονται εξίσου. Αυτό είναι ένα υποθετικό μέτρο, όχι μια πραγματική αναπαράσταση του πραγματικού φορτίου σε ένα άτομο, το οποίο εξετάζει τους τρόπους με τους οποίους τα ηλεκτρόνια μοιράζονται πραγματικά μεταξύ των ατόμων σε έναν δεσμό. Αλλά περισσότερα για αυτό αργότερα!

Πώς να υπολογίσετε την επίσημη χρέωση:

Τυπικό φορτίο (FC) =(# ηλεκτρονίων σθένους) – (½) (αριθμός συνδεδεμένων ηλεκτρονίων) – (αριθμός μη συνδεδεμένων ηλεκτρονίων)

Παραδείγματα:

NH₃ :ποια είναι η επίσημη φόρτιση του αζώτου;

Το άζωτο έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους, 6 συνδεδεμένα ηλεκτρόνια (καθώς υπάρχουν 3 απλοί δεσμοί, ο καθένας περιέχει 2 ηλεκτρόνια) και 2 μη συνδεδεμένα ηλεκτρόνια σε αυτή τη διαμόρφωση. Έτσι:

FC =(5) – (½)(6) – (2)
FC =0

CH₃ O:ποια είναι η επίσημη χρέωση στον άνθρακα;

Ο άνθρακας έχει 4 ηλεκτρόνια σθένους, 8 συνδεδεμένα ηλεκτρόνια (δύο απλούς δεσμούς και έναν διπλό δεσμό) και κανένα μη συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο. Έτσι:

FC =(4) – (½)(8) – 0
FC =0

Σημείωση:αν και η επίσημη χρέωση σε αυτά τα δύο παραδείγματα ήταν μηδενική, αυτό δεν θα ισχύει πάντα. Θα εξερευνήσουμε μερικά παραδείγματα μη μηδενικής χρέωσης παρακάτω.

Σημασία της επίσημης χρέωσης

1. Μοριακή Δομή

Στην ιδανική περίπτωση, ένα άτομο σε ένα μόριο θέλει να έχει τυπικό φορτίο μηδέν:αυτή είναι η χαμηλότερη ενέργεια, και επομένως η πιο σταθερή κατάσταση για να βρίσκεται. Αυτό μας οδηγεί στη δομή ενός μορίου εάν υπάρχουν πολλές επιλογές:ένα με τις λιγότερες/χαμηλότερες επίσημες χρεώσεις είναι η προτιμώμενη δομή. Υπάρχουν ακόμη και συγκεκριμένες οδηγίες που θα σας βοηθήσουν να το καταλάβετε:

1. Η προτιμώμενη μοριακή δομή είναι εκείνη όπου όλα τα τυπικά φορτία είναι μηδενικά, σε αντίθεση με μία όπου ορισμένα αυτή η τιμή δεν είναι μηδέν.
2. Εάν δεν υπάρχει δυνατή δομή όπου όλες οι τυπικές χρεώσεις είναι μηδέν, τότε η προτιμώμενη δομή είναι αυτή με τον μικρότερο αριθμό μη μηδενικών χρεώσεων.
3. Τα γειτονικά άτομα σε ένα μόριο θα πρέπει να έχουν αντίθετα πρόσημα εάν υπάρχουν φορτία.
4. Εάν υπάρχουν πολλές δομές που ικανοποιούν τις απαιτήσεις 1-3, τότε προτιμάται η δομή με αρνητικά τυπικά φορτία στα πιο ηλεκτραρνητικά άτομα.

Παράδειγμα:φαίνεται παρακάτω τρεις πιθανές δομές για το N₂ Ο. Ας δούμε ποια δομή είναι σωστή.

1. Η κορυφαία δομή:
   Αρχικά, υπολογίζουμε το επίσημο φορτίο του αζώτου στα αριστερά. Το άζωτο έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους, αυτό το άτομο έχει 6 συνδεδεμένα ηλεκτρόνια (ένας τριπλός δεσμός) και 2 μη συνδεδεμένα ηλεκτρόνια, επομένως το τυπικό φορτίο είναι (5) – (½)(6) – (2) =0.
   Στη συνέχεια, το υπολογίζουμε για το άζωτο στη μέση. Αυτό έχει 8 συνδεδεμένα ηλεκτρόνια και κανένα μη συνδεδεμένο, επομένως το FC είναι (5) – (½)(8) – (0) =+1.
   Τέλος, υπολογίζουμε το τυπικό φορτίο του οξυγόνου. Το οξυγόνο έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους και αυτό το άτομο έχει 2 συνδεδεμένα ηλεκτρόνια και 6 μη συνδεδεμένα, επομένως το FC είναι (6) – (½)(2) – (6) =-1.
   
   
2. Η μεσαία δομή:
   Ομοίως, υπολογίζουμε το τυπικό φορτίο του αζώτου στα αριστερά:(5) – (½)(4) – (4) =-1.
   Στη συνέχεια, το επίσημο φορτίο του αζώτου στη μέση:(5) – (½)(8) – (0) =+1.
   Τέλος, το τυπικό φορτίο του οξυγόνου:(6) – (½)(4) – (4) =0.
   
   
3. Η κάτω δομή:
   Και πάλι, πρώτα υπολογίζουμε το τυπικό φορτίο του αζώτου στα αριστερά:(5) – (½)(2) – (6) =-2.
   Στη συνέχεια, το επίσημο φορτίο του αζώτου στη μέση:(5) – (½)(8) – (0) =+1.
   Τέλος, το τυπικό φορτίο του οξυγόνου:(6) – (½)(6) – (2) =+1.

Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις υπολογιζόμενες επίσημες χρεώσεις, ας ανατρέξουμε στις οδηγίες που συζητήθηκαν παραπάνω. Πρώτον, υπάρχουν πιθανές δομές όπου όλες οι επίσημες χρεώσεις είναι μηδενικές; Δεν υπάρχουν, οπότε προχωράμε στον κανόνα #2. Αυτό εξαλείφει την κάτω δομή, καθώς έχει μεγαλύτερο αριθμό μη μηδενικών φορτίων από τα δύο πάνω (έχει επίσης μεγαλύτερα φορτία, καθώς περιέχει φορτίο -2, ενώ οι άλλες δύο περιέχουν μόνο +/-1). Τόσο η επάνω όσο και η μεσαία δομή έχουν γειτονικά άτομα με αντίθετα φορτία, επομένως και οι δύο ικανοποιούν τον κανόνα #3. Αυτό αφήνει τον κανόνα #4, που σημαίνει ότι η προτιμώμενη δομή είναι αυτή με το αρνητικό φορτίο στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο. Το οξυγόνο είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το άζωτο, που σημαίνει ότι η προτιμώμενη δομή είναι αυτή με αρνητικό φορτίο στο οξυγόνο—την κορυφαία δομή!

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι το άθροισμα όλων των τυπικών φορτίων των ατόμων σε ένα μόριο πρέπει να ισούται με το συνολικό φορτίο στο μόριο/ιόν. Δηλαδή, θα πρέπει να αθροίζονται στο μηδέν εάν είναι ουδέτερο μόριο και θα πρέπει να αθροίζονται στο φορτίο του ιόντος εάν δεν είναι.

Παράδειγμα:το ιόν BH₄ έχει συνολική χρέωση -1. Αυτό σημαίνει ότι τα τυπικά φορτία όλων των μεμονωμένων ατόμων σε αυτό θα πρέπει να αθροίζονται σε -1. Ας δούμε αν αυτό είναι αλήθεια.

Το βόριο έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους, οκτώ συνδεδεμένα ηλεκτρόνια και μηδέν μη συνδεδεμένα ηλεκτρόνια. Αυτό κάνει την επίσημη φόρτισή του:(3) – (½)(8) – (0) =-1.

Τα τέσσερα υδρογόνα σε αυτό το μόριο είναι όλα πανομοιότυπα, επομένως μπορούμε να υπολογίσουμε όλα τα επίσημα φορτία τους ταυτόχρονα. Το υδρογόνο έχει ένα ηλεκτρόνιο σθένους, δύο συνδεδεμένα ηλεκτρόνια και μηδέν μη συνδεδεμένα ηλεκτρόνια. Αυτό κάνει την επίσημη χρέωση:(1) – (½)(2) – (0) =0.

Όπως μπορούμε να δούμε, αυτό το άθροισμα είναι 0 + 0 + 0 + 0 + (-1) =-1. Αυτό το άθροισμα ισούται με το συνολικό φορτίο του ιόντος, το οποίο είναι -1.

2. Συντονισμός

Ενώ το επίσημο φορτίο μπορεί να υποδεικνύει την προτιμώμενη δομή ενός μορίου, όπως συζητήθηκε παραπάνω, η κατάσταση γίνεται λίγο πιο περίπλοκη όταν υπάρχουν πολλές εξίσου προτιμώμενες δομές. Αυτή η κατάσταση μπορεί να υποδεικνύει δομές συντονισμού, ιδιαίτερα όταν οι δομές έχουν την ίδια διάταξη ατόμων, αλλά διαφορετικούς τύπους ή διάταξη δεσμών.

Παράδειγμα:το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τρεις πιθανές δομές για το ιόν CO₃ . Μπορούμε να δούμε ότι η διάταξη των ατόμων είναι ίδια και στις τρεις δομές (με τον άνθρακα στο κέντρο, συνδεδεμένο με τα τρία οξυγόνα), αλλά η τοποθέτηση του διπλού δεσμού διαφέρει σε καθεμία από τις τρεις.

Σε καθένα από αυτά, το τυπικό φορτίο στον κεντρικό άνθρακα είναι 0, το οξυγόνο με διπλούς δεσμούς είναι 0 και τα δύο οξυγόνα με μονό δεσμό είναι το καθένα -1. Δες αν μπορείς να τα υπολογίσεις σωστά! Σημειώστε ότι όπως συζητήθηκε παραπάνω, το 0 + 0 + (-1) + (-1) αθροίζεται σε -2, που είναι το συνολικό φορτίο στο ιόν.

Δεδομένου ότι αυτοί οι δεσμοί είναι ίδιοι και στις τρεις δομές, η τοποθέτησή τους στο μόριο είναι απλώς διαφορετική, τα τυπικά φορτία και οι κατανομές τους σε κάθε δομή είναι ακριβώς τα ίδια, πράγμα που σημαίνει ότι καθένας από αυτούς είναι εξίσου πιθανό να συμβεί. Αυτό σημαίνει ότι και οι τρεις είναι σωστές δομές και στην πραγματικότητα, το μόριο σχηματίζει ένα υβρίδιο και των τριών δομών.

Διαβάστε περισσότερα για τις δομές συντονισμού εδώ και δείτε περισσότερα παραδείγματα εδώ!

3. Αντιδραστικότητα

Τέλος, το επίσημο φορτίο μπορεί να δώσει μια ένδειξη για το πώς θα συμπεριφερθεί ένα μόριο κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης. Εάν ένα άτομο έχει αρνητικό τυπικό φορτίο, είναι πιο πιθανό να είναι η πηγή ηλεκτρονίων σε μια αντίδραση (πυρηνόφιλο). Αντίθετα, εάν έχει θετικό, τότε είναι πιο πιθανό να είναι αποδεκτά ηλεκτρόνια (ένα ηλεκτρόφιλο) και το συγκεκριμένο άτομο είναι πιο πιθανό να είναι η θέση της αντίδρασης.

Τυπική χρέωση έναντι πραγματικής χρέωσης

Είναι επίσης σημαντικό να μην είναι ότι το τυπικό φορτίο είναι διαφορετικό από το πραγματικό φορτίο ενός ατόμου. Το τυπικό φορτίο δεν λαμβάνει υπόψη την ηλεκτραρνητικότητα:υποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια σε έναν δεσμό μοιράζονται εξίσου. Είναι απλώς μια τυπική διαδικασία, που χρησιμοποιείται για να βοηθήσει στην κατανόηση των μοριακών δομών και των μηχανισμών αντίδρασης. Το πραγματικό φορτίο, από την άλλη πλευρά, εξετάζει την πραγματική πυκνότητα ηλεκτρονίων, με βάση την ηλεκτραρνητικότητα των ατόμων και την πολικότητα των δεσμών. Για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με αυτά τα θέματα, ρίξτε μια ματιά σε αυτά τα σεμινάρια σχετικά με:δυνάμεις ιόντων-διπόλων, περιοδικές τάσεις και πολικότητα!

Περαιτέρω ανάγνωση

• Διαμορφώσεις κελύφους ηλεκτρονικών
• Καταστάσεις οξείδωσης
• Μοριακή γεωμετρία
• Διαμορφώσεις καρέκλας