Сравняване на формални заряди и степен на окисление

И формалният заряд, и степените на окисление са начини да преброим електроните и са доста полезни концепции. Нека започнем с формалния заряд. Едно определение за формален заряд е хипотетичният заряд, който би възникнал, ако всички свързващи електрони са поравно разпределени. Нека видим Люисовата структура тук долу вляво, която е Люисовата структура на метанола, и да зададем формален заряд на въглерода. Трябва да помислим за свързващите електрони или за електроните в тези връзки около въглерода. Знаем, че всяка връзка се състои от два електрона. И така, връзката между кислород и въглерод се състои от два електрона. Нека напишем тези два електрона. По същия начин за връзката между въглерода и водорода. Всяка връзка се състои от два електрона, така че мога да обходя тук и да сложа свързващите електрони. Ако искаме да зададем формален заряд на въглерода, трябва да помислим за броя валентни електрони в свободния атом или за броя валентни електрони, които въглеродът би трябвало да има. Вече знаем, че въглеродът би трябвало да има 4 валентни електрона, така че мога да сложа 4 тук. А от това 4 ще извадим броя валентни електрони в свързания атом, или броя валентни електрони, които въглеродът има около себе си на нашия чертеж. И тъй като правим формален заряд, трябва да помислим за всички тези свързващи електрони, разпределени равномерно. Мислим за ковалентна връзка. Ако имаме два електрона и една връзка, и тези два електрона са разпределени поравно, можем да ги разделим. Можем да дадем един електрон на кислорода и един електрон на въглерода в тази връзка. Отиваме до тази връзка между въглерод и водород тук и можем да направим същото нещо. Имаме два електрона. Можем да разделим тези два електрона. Можем да дадем единия на въглерода, а другия – на водорода. И правим същото нещо и тук. Разделяме тези електрони по същия начин и тук. Колко валентни електрона виждаме около въглерода сега? Нека ги маркирам. Имаме 1, 2, 3, 4. Това е броят валентни електрони около въглерода на нашия чертеж. 4 минус 4 е 0. Следователно формалният заряд на въглерода е 0. Нека подчертая това тук. В тази молекула формалният заряд на въглерода е 0. Сега нека продължим със степените на окисление. Можем да ги наричаме и стойности на окисление. Едно от определенията за "степен на окисление" е предполагаемият заряд, който ще получим, ако всички тези свързващи електрони са зададени на по-електроотрицателния атом във връзката. Нека погледнем Люисовата структура на метанола отдясно и да зададем степен на окисление на този въглерод. Трябва отново да помислим за свързващите електрони, така че нека ги сложим. Знаем, че всяка връзка се състои от два електрона. Слагам по два електрона на всяка връзка. И сега да помислим за степента на окисление на този въглерод. Първо трябва да знаем броя на валентните електрони в свободния атом. Точно както преди малко, знаем, че въглеродът трябва да има 4 валентни електрона. Тук трябва да имаме 4, и от това ще извадим броя на валентните електрони в свързания атом или броя валентни електрони, които въглеродът има на чертежа всъщност. Този път трябва да помислим за йонна връзка, така че ще приемем, че ковалентната връзка е йонна връзка, защото ще припишем всички свързващи електрони на по-електроотрицателния атом. Няма повече споделяне тук. Победителят печели всичко. По-електроотрицателният атом ще получи всичките електрони. Така че нека помислим за елетроотрицателността на въглерода спрямо тази на кислорода. Знаем, че кислородът е по-електроотрицателен от въглерода. Следователно кислородът ще вземе и двата електрона от тази връзка. Кислородът взима и двата електрона. Сега нека помислим за електроотрицателността на въглерода и водорода. Знаем, че въглеродът е малко по-електроотрицателен от водорода. Така че за тези два електрона въглеродът ще ги вземе и двата, понеже въглеродът е по-електроотрицателен от водорода. По същия начин и за останалите въглеродно-водородни връзки. Въглеродът е по-електроотрицателен от водорода, така че въглеродът взима тези. Въглеродът е по-електроотрицателен от водорода, въглеродът взима тези. И така, колко електрона имаме около водорода сега? Да ги преборим. Имаме 1, 2, 3 4, 5, 6. Имаме 6 електрона около въглерода. 4 минус 6 ни дава -2. В този пример въглеродът има степен на окисление -2. Няма повече споделяне, когато имаме степени на окисление, нали така? Помисли за по-електроотрицателния атом и му припиши и двата електрона. И формалният заряд, и степените на окисление са просто много крайни методи за разпределяне на електрони. Те не са идеални. Със сигурност не са идеални. Приемаме, че електроните са или равномерно споделени, идеално, или че единият атом взима и двата електрона. Нито една от двете концепции не е идеална в реалния свят, но работи, когато чертаем Люисовите структури и мислим за химични реакции.