形式電荷Formal Charge

化學原理啟迪356

DANIEL BARENBOIM-SONATA TEMPEST- BEETHOVEN- 1ST mvt

1.     到目前為止我們都設定在分子裡的原子，如果是第三週期或質量更重的原子就能夠擁有超過8個以上的價電子，因為他們能夠提供d軌域來容納多餘的電子。

2.     不過最近有些研究指出，原子的3d軌域填入電子的能量與3s和3p軌域填入電子的能量相比高太多，不太容易提供給多餘的電子填入。這些研究爭辯，對分子來說，讓每一個原子的價電子符合八隅體法則（擁有8顆電子）是最優先的。

3.     有許多鍵結方式可以讓SF6和PCl5這類分子的原子的價電子數不會超過八隅體法則。其中一個方法稱為超共軛hyperconjugation。

4.     目前化學家對於SF6和PCl5這類分子到底是怎麼鍵結的還有歧異。許多研究還在尋找最好的答案。

奇數價電子的分子 Odd-Electron Molecules

5.     我們除了對第三週期與第三週期以上的元素能不能提供d軌域給電子填入有疑慮之外，另一個問題是組成原子是奇數價電子的分子不知如何套用定域化電子模型LE model。

6.     雖然非金屬元素是奇數電子的分子比較少，但確實有些常見的分子是如此的。其中一個就是一氧化氮（NO），汽車引擎高溫下，氮氣N2與氧氣O2在高溫下反應會產生一氧化氮NO。一氧化氮排放到空氣中，與氧氣形成二氧化氮NO2，這二種分子都是由奇數電子的氮原子組成的分子。

形式電荷 Formal Charge

7.     分子或多原子離子可能會有許多不同的路易斯結構。舉例來說，硫酸根離子SO4^2－有一個單鍵構成的路易斯結構，還有許多含有雙鍵的路易斯結構。我們怎麼判斷哪一個路易斯結構最接近硫離子的實際鍵結情形？

8.     其中一種判斷的方法是，計算每個原子的電荷數，依據計算結果判斷哪一種路易斯結構最接近真實。首先，我們必須瞭解計算分子內各原子電荷的方法。

9.     我們曾經討論過一種計算分子的原子的電荷的方法，氧化數oxidation states。然而，當我們計算原子的氧化數時，我們習慣將二個鍵結原子共享的2顆電子全部分配給其中一個陰電性較強的原子。這個方法高度誇張了原子身上的電荷量（不論是得到電子的一方，或是失去電子的一方）。

10. 換句話說，雖然氧化數在計算氧還反應轉移的電子很好用，但是不夠接近真實，因此氧化數的計算方式不適合用在路易斯結構。

11. 第二種分子的原子的電荷的定義是形式電荷formal charge，用形式電荷來衡量路易斯結構比較恰當。

12. 判斷形式電荷的方法是比較以下二點：

1.單獨的中性原子上的價電子數。單獨中性原子的價電子數是0，因為它的價電子數量等於質子數量。

2.分子的某個特定原子的價電子數。

13. 如果分子內的原子價電子數跟它單獨時的價電子數一樣，正電荷（質子數）與負電荷（價電子數）相等，這個原子的形式電荷是0。如果分子內的原子的價電子數比它單獨時的價電子數多1顆，那麼這個分子內的原子的形式電荷就是－1。依此類推。

14. 因此分子內的某個原子的形式電荷定義如下：

形式電荷＝（單獨原子的價電數）－（分子內的原子的價電數）

15. 為了計算出分子內的原子的形式電荷，我們將設定原子的價電子的分配規則：

1.我們要計算的原子，如果有未鍵結電子/孤對電子，這些未鍵結電子完全屬於這個原子。

2.二個鍵結原子之間的共享電子，將平均分配給這二個鍵結原子。

16. 所以，原子的價電子數計算方式如下：

原子的價電子數＝未鍵結電子數＋1/2共價電子數

17. 我們將透過計算硫酸根離子二種可能的路易斯結構練習計算形式電荷的程序，硫酸根離子共有32個價電子，路易斯結構為：

18. 每個氧原子有6個未鍵結電子，並且氧與硫共享2個價電子。每個氧原子有7個價電子：

每個氧的價電子數＝6＋1/2(2)＝7

注：6是未鍵結電子的數量。2是共享電子的數量。

氧的形式電荷是＝6－7＝－1

注：6是單獨的氧原子的價電子數。7是硫酸根離子內的氧的價電子數。

因此，硫酸根離子內的氧的形式電荷是－1。（在分子內的氧比獨立的氧多分配到1顆電子）

19. 硫酸根離子的硫沒有未鍵結電子，它的8顆電子都是與氧共享的鍵結電子。因此

硫的價電子數＝0＋1/2(8)＝4

注：0是未鍵結電子對。8是硫與氧共享的電子。

硫的形式電荷＝6－4＝2

注：6是單獨硫原子的價電子。4是硫酸根離子的硫的價電子。（在分子內的硫比單獨的硫少2顆電子）

20. 硫酸根離子SO4^2－第二種可能的路易斯結構是：

21. 它的形式電荷計算如下：

當氧與硫之間的化學鍵是單鍵時，

氧的價電子數是＝6＋1/2(2)＝7

氧的形式電荷＝6－7＝－1（分子內的氧比單獨的氧多分配1顆電子）

當氧與硫之間的化學鍵是雙鍵時，

氧的價電子數是＝4＋1/2(4)＝6

注：括弧(4)是因為雙鍵共有4顆電子。

氧的形式電荷＝6－6＝0（分子內的氧與單獨的氧的電子數一樣）

硫酸根離子的硫原子

硫的價電子數＝0＋1/2(12)＝6 

形式電荷＝6－6＝0 （分子內的硫與單獨的硫的電子數一樣）

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》