شارژ رسمی چیست | علم شیمی - تولیدی سیتریک اسید

مفاهیم اصلی

اتهام رسمی یک مفهوم اساسی و اساسی برای تسلط به منظور درک بهتر ساختارها و واکنش های مولکولی است. در این آموزش، شارژ رسمی چیست، نحوه محاسبه آن و اهمیت آن در عمل را خواهید آموخت.

موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر

واژگان

یون: یک اتم یا مولکول با بار یونی خالص، به دلیل وجود یا عدم وجود الکترون.
مولکول: گروهی از اتم ها به هم متصل شده اند
رزونانس: اصطلاحی است که برای توصیف پیوند هیبریدی در یک مولکول با ساختارهای متعدد ممکن استفاده می شود.

شارژ رسمی چیست؟

اتهام رسمی باری است که با این فرض که همه الکترون های پیوندها به طور مساوی به اشتراک گذاشته شده اند، به یک اتم اختصاص داده می شود. این یک اندازه گیری فرضی است، نه یک نمایش واقعی از بار واقعی یک اتم، که به روش های به اشتراک گذاشته شدن الکترون ها بین اتم ها در یک پیوند می پردازد. اما در ادامه بیشتر در مورد آن!

نحوه محاسبه هزینه رسمی:

بار رسمی (FC) = (# الکترون ظرفیت) – (½) (تعداد الکترون های پیوندی) – (تعداد الکترون های بدون پیوند)

مثال ها:

بار رسمی را از ساختار نقطه لوئیس NH3 محاسبه کنید

NH₃: بار رسمی نیتروژن چقدر است؟

نیتروژن دارای 5 الکترون ظرفیت، 6 الکترون پیوندی است (چون 3 پیوند منفرد وجود دارد که هر یک شامل 2 الکترون است) و 2 الکترون بدون پیوند در این پیکربندی. بدین ترتیب:

FC = (5) – (½) (6) – (2)
FC = 0

بار رسمی را از ساختار نقطه لوئیس CH3O محاسبه کنید

CH₃O: بار رسمی روی کربن چیست؟

کربن دارای 4 الکترون ظرفیتی، 8 الکترون پیوندی (دو پیوند منفرد و یک پیوند دوگانه) و هیچ الکترون غیرپیوندی است. بدین ترتیب:

FC = (4) – (½) (8) – 0
FC = 0

توجه: اگرچه هزینه رسمی در این دو مثال صفر بوده است، اما همیشه اینطور نخواهد بود. در زیر چند نمونه از شارژ غیر صفر را بررسی خواهیم کرد.

اهمیت اتهام رسمی

1. ساختار مولکولی

در حالت ایده‌آل، یک اتم در یک مولکول می‌خواهد بار رسمی صفر داشته باشد: این کمترین انرژی و در نتیجه پایدارترین حالت برای قرار گرفتن در آن است. اگر چندین گزینه وجود داشته باشد، ما را به ساختار یک مولکول راهنمایی می‌کند: یکی با کمترین/کمترین هزینه های رسمی ساختار ارجح است. حتی دستورالعمل های خاصی وجود دارد که به شما در درک این موضوع کمک می کند:

ساختار مولکولی ترجیحی ساختاری است که در آن همه بارهای رسمی صفر هستند، در مقابل ساختاری که برخی از این مقدار صفر نیستند.
اگر ساختار ممکنی وجود نداشته باشد که در آن تمام بارهای رسمی صفر باشد، ساختار ترجیحی ساختاری با کمترین تعداد بارهای غیر صفر است.
در صورت وجود بار، اتم های مجاور در یک مولکول باید دارای علائم مخالف باشند.
اگر ساختارهای متعددی وجود داشته باشد که الزامات 1-3 را برآورده کند، ساختار با بارهای رسمی منفی روی اتم های الکترونگاتیو تر ترجیح داده می شود.

مثال: در زیر سه ساختار ممکن برای N نشان داده شده است₂O. بیایید بفهمیم کدام ساختار صحیح است.

ساختار بالا:
ابتدا بار رسمی نیتروژن سمت چپ را محاسبه می کنیم. نیتروژن دارای 5 الکترون ظرفیتی است، این اتم دارای 6 الکترون پیوندی (یک پیوند سه گانه) و 2 الکترون بدون پیوند است، بنابراین بار رسمی (5) – (½) (6) – (2) = 0 است.
بعد آن را برای نیتروژن وسط محاسبه می کنیم. این یکی دارای 8 الکترون پیوندی است و هیچ پیوندی ندارد، بنابراین FC (5) – (½) (8) – (0) = +1 است.
در نهایت، بار رسمی اکسیژن را محاسبه می کنیم. اکسیژن دارای 6 الکترون ظرفیتی است و این اتم دارای 2 الکترون پیوندی و 6 الکترون غیرپیوندی است، بنابراین FC (6) – (½) (2) – (6) = -1 است.
ساختار میانی:
به طور مشابه، بار رسمی نیتروژن در سمت چپ را محاسبه می کنیم: (5) – (½) (4) – (4) = -1.
بعد، بار رسمی نیتروژن در وسط: (5) – (½) (8) – (0) = +1.
در نهایت، بار رسمی اکسیژن: (6) – (½) (4) – (4) = 0.
ساختار پایین:
مجدداً، ابتدا بار رسمی نیتروژن در سمت چپ را محاسبه می کنیم: (5) – (½)(2) – (6) = -2.
بعد، بار رسمی نیتروژن در وسط: (5) – (½) (8) – (0) = +1.
در نهایت، بار رسمی اکسیژن: (6) – (½) (6) – (2) = +1.

با توجه به این هزینه های رسمی محاسبه شده، بیایید دستورالعمل هایی را که در بالا مورد بحث قرار گرفت، بررسی کنیم. اول، آیا ساختارهایی ممکن است که در آن تمام هزینه های رسمی صفر باشد؟ وجود ندارد، بنابراین به قانون شماره 2 می رویم. این ساختار پایینی را حذف می‌کند، زیرا تعداد بارهای غیرصفر بیشتری نسبت به دو مورد بالایی دارد (همچنین دارای بارهای بیشتری است، زیرا دارای بار -2 است، در حالی که دو مورد دیگر فقط حاوی +/-1 هستند). هر دو ساختار بالا و میانی دارای اتم های مجاور با بارهای مخالف هستند، بنابراین هر دو قانون شماره 3 را برآورده می کنند. این قانون شماره 4 را ترک می کند، به این معنی که ساختار ترجیحی ساختاری است که بار منفی روی اتم الکترونگاتیو تر دارد. اکسیژن بیشتر از نیتروژن الکترونگاتیو است، به این معنی که ساختار ترجیحی ساختاری است که دارای بار منفی بر روی اکسیژن است – ساختار بالایی!

همچنین شایان ذکر است که مجموع تمام بارهای رسمی اتم های یک مولکول باید با بار کلی مولکول/یون برابر باشد. به این معنا که اگر مولکول خنثی باشد، باید به صفر برسند و اگر اینطور نیست، باید با بار یون جمع شوند.

مثال: یون BH₄^– دارای شارژ کلی -1 است. این بدان معنی است که بارهای رسمی همه اتم های منفرد در آن باید تا -1 جمع شوند. ببینیم آیا این درست است یا خیر.

بور دارای سه الکترون ظرفیت، هشت الکترون پیوندی و صفر الکترون بدون پیوند است. این باعث می شود شارژ رسمی آن: (3) – (½) (8) – (0) = -1.

چهار هیدروژن موجود در این مولکول همگی یکسان هستند، بنابراین ما می‌توانیم همه بارهای رسمی آنها را یکجا محاسبه کنیم. هیدروژن دارای یک الکترون ظرفیت، دو الکترون پیوندی و صفر الکترون بدون پیوند است. این باعث می شود شارژ رسمی آن: (1) – (½) (2) – (0) = 0.

همانطور که می بینیم، این جمع به 0 + 0 + 0 + 0 + (-1) = -1 می رسد. این مجموع برابر با بار کلی یون است که -1 است.

2. طنین

در حالی که بار رسمی می تواند ساختار ترجیحی یک مولکول را نشان دهد، همانطور که در بالا توضیح داده شد، وقتی چندین ساختار به همان اندازه ترجیح داده می شود، وضعیت کمی پیچیده تر می شود. این وضعیت ممکن است نشان دهنده ساختارهای تشدید باشد، به ویژه زمانی که ساختارها دارای آرایش یکسان اتم ها، اما انواع مختلف یا آرایش پیوندها هستند.

مثال: نمودار زیر سه ساختار ممکن برای یون CO را نشان می دهد₃^2-. می بینیم که آرایش اتم ها در هر سه ساختار یکسان است (با کربن در مرکز، متصل به سه اکسیژن)، اما قرارگیری پیوند دوگانه در هر یک از این سه ساختار متفاوت است.

در هر یک از آنها، بار رسمی کربن مرکزی 0، اکسیژن با پیوند دوگانه 0، و دو اکسیژن با پیوند منفرد هر یک -1 است. ببینید آیا می توانید اینها را خودتان به درستی محاسبه کنید! توجه داشته باشید که همانطور که در بالا توضیح داده شد، 0 + 0 + (-1) + (-1) به -2 می رسد که بار کلی یون است.

از آنجایی که این پیوندها در هر سه ساختار یکسان هستند، قرارگیری آنها در مولکول فقط متفاوت است، بارهای رسمی و توزیع آن در هر ساختار دقیقاً یکسان است، به این معنی که احتمال وقوع هر یک از آنها به یک اندازه است. این به این معنی است که هر سه ساختار صحیح هستند و در واقعیت، مولکول ترکیبی از هر سه ساختار را تشکیل می دهد.

در اینجا بیشتر در مورد ساختارهای تشدید بخوانید و نمونه های بیشتری را ببینید اینجا!

3. واکنش پذیری

در نهایت، بار رسمی می تواند نشان دهد که چگونه یک مولکول در طول یک واکنش رفتار می کند. اگر یک اتم بار رسمی منفی داشته باشد، به احتمال زیاد منبع الکترون در یک واکنش (نوکلئوفیل) است. برعکس، اگر دارای یک مثبت باشد، احتمال بیشتری وجود دارد که الکترون های پذیرنده (یک الکتروفیل) باشد و آن اتم به طور خاص به احتمال زیاد محل واکنش است.

شارژ رسمی در مقابل هزینه واقعی

همچنین مهم نیست که بار رسمی با بار واقعی یک اتم متفاوت است. بار رسمی الکترونگاتیوی را در نظر نمی گیرد: فرض می کند که الکترون های یک پیوند به طور مساوی تقسیم می شوند. این صرفاً یک امر رسمی است که برای کمک به درک ساختارهای مولکولی و مکانیسم‌های واکنش استفاده می‌شود. از سوی دیگر، بار واقعی به چگالی واقعی الکترون بر اساس الکترونگاتیوی اتم ها و قطبیت پیوندها نگاه می کند. برای مطالعه بیشتر در مورد این موضوعات، این آموزش ها را بررسی کنید: نیروهای یون-دوقطبی، روندهای دوره ای، و قطبیت!

شارژ رسمی چیست | علم شیمی