Un calcolatore di carica formale è uno strumento fondamentale in chimica che aiuta a determinare la disposizione elettronica più stabile per una molecola o uno ione poliatomico. Calcola una carica ipotetica per ciascun atomo all'interno di una struttura di Lewis, presupponendo che gli elettroni nei legami covalenti siano equamente distribuiti tra gli atomi. Questo calcolo non è una misura della carica effettiva di un atomo; è piuttosto un metodo di contabilità per gli elettroni. Calcolando la carica formale, i chimici possono confrontare diverse possibili strutture di Lewis per la stessa molecola. La struttura in cui le cariche formali sono minime (più vicine allo zero) e in cui le cariche negative risiedono sugli atomi più elettronegativi è considerata la rappresentazione più stabile e plausibile. Di conseguenza, questo calcolatore è fondamentale per prevedere la struttura e la reattività molecolare.
formula del calcolatore di carica formale
La carica formale di un atomo in una molecola si calcola utilizzando una formula semplice basata sulla sua struttura di Lewis.
Carica formale = Elettroni di valenza − (Elettroni non leganti + Elettroni leganti / 2)
Dove:
- Elettroni di valenza = Numero di elettroni nel guscio più esterno di un atomo. Puoi trovarlo nel numero di gruppo dell'atomo nella tavola periodica.
- Elettroni non leganti = Numero totale di elettroni in coppie solitarie appartenenti esclusivamente all'atomo.
- Elettroni di legame = Numero totale di elettroni che l'atomo condivide nei legami covalenti (due elettroni per legame singolo, quattro per legame doppio, ecc.).
Elettroni di valenza di elementi comuni
Per utilizzare in modo efficiente il calcolatore di carica formale, è utile conoscere gli elettroni di valenza degli elementi comuni presenti nelle molecole organiche e inorganiche. Questa tabella serve come riferimento rapido.
| elemento | Simbolo | Numero del gruppo | Elettroni di valenza |
| Idrogeno | H | 1 | 1 |
| Carbonio | C | 14 | 4 |
| Azoto | N | 15 | 5 |
| Oxygen | O | 16 | 6 |
| Fluoro | F | 17 | 7 |
| Fosforo | P | 15 | 5 |
| Zolfo | S | 16 | 6 |
| Cloro | Cl | 17 | 7 |
Esempio di calcolatore di addebito formale
Calcoliamo le cariche formali di ciascun atomo nello ione carbonato, CO₃²⁻. Una possibile struttura di Lewis per questo ione presenta un atomo di carbonio centrale legato con un doppio legame a un atomo di ossigeno e con un legame singolo ad altri due atomi di ossigeno.
La struttura si presenta così:
- Il carbonio centrale (C) ha un doppio legame con un ossigeno e legami singoli con altri due ossigeni.
- L'ossigeno (O₁) con doppio legame ha 2 coppie solitarie (4 elettroni non leganti).
- I due atomi di ossigeno con legame singolo (O₂ e O₃) hanno ciascuno 3 coppie solitarie (6 elettroni non leganti).
Calcoliamo ora la carica formale di ciascun atomo.
- Per il Carbonio Centrale (C):
- Elettroni di valenza = 4
- Elettroni non leganti = 0
- Elettroni di legame = 8 (un doppio legame + due legami singoli = 4 + 2 + 2)
- Carica formale = 4 - (0 + 8/2) = 4 - 4 = 0
- Per l'ossigeno a doppio legame (O₁):
- Elettroni di valenza = 6
- Elettroni non leganti = 4
- Elettroni di legame = 4 (un doppio legame)
- Carica formale = 6 - (4 + 4/2) = 6 - 6 = 0
- Per ogni ossigeno a legame singolo (O₂ e O₃):
- Elettroni di valenza = 6
- Elettroni non leganti = 6
- Elettroni di legame = 2 (un singolo legame)
- Carica formale = 6 - (6 + 2/2) = 6 - 7 = -1
Le cariche formali sono C=0, O₁=0, O₂=-1 e O₃=-1. La somma delle cariche formali (0 + 0 - 1 - 1) è -2, che corrisponde correttamente alla carica complessiva dello ione carbonato. Questa distribuzione di cariche è considerata stabile.
Domande frequenti più comuni
Una carica formale pari a zero suggerisce che un atomo abbia lo stesso numero di elettroni di valenza assegnati nella molecola rispetto a un atomo neutro e libero. Questa disposizione rappresenta uno stato di bassa energia elettrostatica ed è quindi più stabile. Le strutture con cariche formali minime sono generalmente le rappresentazioni più accurate della molecola.
La carica formale presuppone che gli elettroni di un legame siano condivisi in modo perfettamente equo. Lo stato di ossidazione, un altro metodo di contabilità, presuppone che l'atomo più elettronegativo di un legame ottenga tutti gli elettroni di legame. La carica formale è più adatta per valutare la stabilità della struttura di Lewis, mentre lo stato di ossidazione viene utilizzato per tracciare il trasferimento elettronico nelle reazioni redox.
No, la carica formale è un concetto teorico, non la distribuzione effettiva della carica. La distribuzione reale della carica in una molecola è più complessa ed è influenzata dalle differenze di elettronegatività tra gli atomi. Tuttavia, la carica formale fornisce una prima approssimazione molto utile per comprendere la distribuzione degli elettroni e la struttura molecolare.