形式电荷在化学上是指分配给分子中的一个原子的电荷,并假定所有化学键中的电子在原子之间均等共享,而无论相对电负性如何。当确定某个分子的最佳Lewis结构(或主要共振结构)时,所选结构使得每个原子上的形式电荷尽可能接近于零。
形式电荷可以用来预测分子结构、估计分子稳定性、解释分子偶极方向(如CO)和理解配位行为。
CO2是一个中性分子,共有16个价电子。有三种不同的方法可以画其Lewis结构:
碳通过单键连接至2个氧原子(C = +2,O = −1,形式电荷为0)
碳通过单键连接一个氧,双键连接另一个氧(C = +1, O双键= 0,O单键= −1,形式电荷为0)
碳通过双键连接至2个氧原子(C = 0,O = 0,形式电荷为0)
即使三种结构计算出的总电荷为零,最后一种结构是最好的,因为其分子中根本没有电荷。
当我们分析共价化合物的电子结构时,引入了一个概念叫做形式电荷。这个概念基于键合电子的分配和原子的孤电子数。对于一个原子,如果将其键合电子的一半加上自身的孤电子数,两者相加的结果等于其在游离态时的价层电子数,那么形式电荷就被认为是零。反之,如果小于这个数值,形式电荷记为正,如果大于,记为负。
形式电荷的计算方法是价电子数减去实际参与键合后剩余的价电子数。例如,在季铵盐的共振式中,C的价电子数为4,实际参与键合后剩余2个,所以C的形式电荷为4-2=+2;而O的价电子数为6,实际为2+3,O的形式电荷为6-(2+3)=+1。
在判断化合物的稳定性时,形式电荷的考虑非常重要。一般来说,形式电荷越接近零,物种越稳定。此外,如果形式电荷呈现正负交替的分布,这种稳定性更高,因为这通常意味着电子分布更加均匀和稳定。以共振八隅体为例,这种结构的稳定性判断就常常依据形式电荷的这两个原则。形式电荷定义
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