Формални заряди

В това видео ще се запознаем с концепцията за формален заряд. Ще видим, че това е инструмент, който можем да използваме като химици, за да анализираме молекули. Това не е зарядът на молекулата като цяло, а е стойност, която можем да изчислим за всеки отделен атом в една молекула и, както ще видим в бъдещи видеа, това ще ни помогне да определяме кои резонансни структури, кои конфигурации на една молекула са застъпени най-много в един резонансен хибрид. Преди да се задълбочим в темата, нека дадем определение за формален заряд, а после, за да се упражним, ще изчислим формалния заряд на различни атоми във всяка от резонансните структури на азотистата киселина. И двете Люисови диаграми са правилни. И двете резонансни структури на азотистата киселина са правилни, но сега ще помислим коя от двете е по-застъпена в резонансния хибрид като разгледаме формалния заряд. Определението за формален заряд... като сега ще разгледаме всеки атом в молекулата, за всеки атом ще изчислим броя валентни електрони, които би имал като свободен неутрален атом. От този брой ще извадим броя на валентните електрони които са разпределени към свързания атом в молекулата. И следващият въпрос е какво означава да са разпределени. Ще разтълкувам това определение. Когато разглеждаме валентните електрони, разпределени към един свързан атом, те включват броя на електроните в несподелените електронни двойки, плюс една втора от броя на електроните в споделените електронни двойки. Да опитаме да осмислим това, като приложим определението на формален заряд към съставните атоми на азотистата киселина. Да започнем с този водороден атом. Какъв е броят валентни електрони в свободен неутрален атом водород? Виждали сме това множество пъти, можеш да го видиш в периодичната таблица на елементите, свободен неутрален атом водород има един валентен електрон. Колко валентни електрона се разпределени на свързания водороден атом? Един начин да определим това е като начертаем кръг около този атом в молекулата и искаме да намерим всички електрони в несподелени електронни двойки, а след това електроните в споделените електронни двойки, което можеш да си представиш като половината електрони във всяка връзка, което означава, че всяка връзка ще съответства на един електрон, понеже това е половината от споделените електрони, всяка единична връзка съответства на два споделени електрона, но нас ни интересуват половината от тях. При водородния атом няма несподелени електронни двойки, така че броят валентни електрони, намиращи се към свързан атом, в случая това е атом водород, и броят електрони е един. За този водороден атом определяме формален заряд нула. Ами този кислороден атом тук? Правим същото упражнение. Предпочитам да чертая малък кръг около него. Броят валентни електрони в свободен, неутрален кислороден атом, виждали сме това множество пъти, е шест, а после от тази бройка ще извадим броя валентни електрони, разпределени към свързания атом. Свързаният атом има два електрона в тази несподелена електронни двойки и после получава половината от електроните в споделените електронни двойки, половината от споделените електрони са един електрон от тази връзка, един от тази връзка и един от тази връзка. Събираш ги: два, три, четири, пет. Шест минус пет е раво на +1. Следователно формалният заряд на този кислороден атом в тази конфигурация на азотистата киселина, е +1. Ами азотът? Правим подобно упражнение тук. Един свободен неутрален азотен атом има пет валентни електрона, виждали сме това множество пъти, можеш да погледнеш това от периодичната таблица на елементите, а после от това ще извадим броя валентни електрони, поставени към свързания азот, виждаме един, два, три, а после още два електрона в несподелената електронна двойка, стават пет, така че формалният заряд на азотния атом е нула. Сега да разгледаме последния кислороден атом. Този последен кислороден атом – един свободен неутрален кислороден атом има шест валентни електрона, от този брой електрони ще извадим броя валентни електрони, разпределени към свързания атом. Два, четири, шест електрона в несподелени електронни двойки, добавяме половината електрони в тази връзка, стават седем разпределени валентни електрони. Шест минус седем е равно на -1. Така че този кислороден атом има формален заряд от -1. И искам да ти припомня, че не говорим за заряда на цялата молекула. Формалният заряд е теоретичен, математически инструмент, който използваме, за да анализираме тази конфигурация. Но един начин, по който можеш да си обясниш това, е, че в тази конфигурация кислородът, средно, има един допълнителен електрон около себе си, един допълнителен валентен електрон около себе си, в сравнение със свободен неутрален кислороден атом. Този кислороден атом отляво има един валентен електрон по-малко около себе си в сравнение с неутрален свободен кислороден атом. Сега нека разгледаме тази конфигурация тук долу. Този водороден атом е идентичен на този водороден атом, той няма несподелена електронна двойка, има само една ковалентна връзка с кислороден атом. Правим същия анализ, за да получим, че формалният му заряд е нула. Сега да помислим за този кислороден атом тук. (огражда го) Свободен неутрален кислороден атом има шест валентни електрона. Валентните електрони, разпределени на този кислороден атом, са два, четири, пет, шест. Шест минус шест е нула, няма формален заряд. И преминаваме към този азотен атом. (огражда го) Свободен азотен атом има пет валентни електрона, а този азотен атом има два, три, четири, пет валентни електрона, разпределени към него, изваждаме пет и получаваме формален заряд нула. Последно, но не и по важност, да разгледаме този кислороден атом тук. (огражда го) Свободен неутрален кислороден атом има шест валентни електрона. Този има два, четири, пет, шест валентни електрона, разпределени към свързания атом. Шест минус шест е равно на нула. И в първата конфигурация, или в първата резонансна структура, виждаме, че азотистата киселина има формален заряд – има +1 на този кислороден атом и -1 на този кислороден атом. Докато при тази конфигурация тук долу няма формален заряд, всички атоми имат формален заряд от нула. Ще видим в бъдещи видеа, че колкото по-близо са формалните заряди на отделните атоми до нула, толкова по-вероятно е тази структура, тази резонансна структура, да допринесе повече за резонансния хибрид, но ще говорим повече за това в бъдещи видеа. Основната цел на това видео е да се запознаем с изчисляването на формалния заряд за отделните атоми в една молекула.