Come calcolare carica formale e ibridazione, con un calcolatore gratuito

Che cos'è la carica formale

La carica formale è la carica che un atomo avrebbe se ogni legame di una struttura di Lewis fosse condiviso in parti uguali tra i suoi due atomi. È uno strumento di contabilità. Ti dice dove si trova la carica di uno ione in una data struttura di Lewis e ti aiuta a scegliere la struttura migliore quando ce ne sono diverse.

La formula è CF = V − N − B/2.

• V è il numero di elettroni di valenza dell'atomo libero. Per gli elementi dei gruppi principali corrisponde al numero del gruppo: C = 4, N = 5, O = 6, F e Cl = 7.
• N è il numero di elettroni non di legame sull'atomo. Ogni coppia solitaria conta 2.
• B è il numero di elettroni di legame attorno all'atomo. Un legame singolo conta 2, un doppio legame 4 e un triplo legame 6. B/2 è semplicemente il numero di legami.

Le cariche formali di tutti gli atomi sommate danno la carica complessiva della molecola o dello ione.

Che cos'è l'ibridazione e come trovarla

L'ibridazione descrive quale combinazione di orbitali s e p un atomo usa per i suoi legami σ e le sue coppie solitarie. Si ricava dal numero sterico: il numero di atomi legati all'atomo più il numero delle sue coppie solitarie. Doppi e tripli legami contano una volta, perché un solo legame σ unisce i due atomi.

L'eccezione della coniugazione. Un azoto, un ossigeno o un carbanione con una coppia solitaria adiacente a un legame π di solito mette quella coppia in un orbitale p, così che possa delocalizzarsi. L'atomo usa allora tre orbitali ibridi ed è sp², anche se il conteggio semplice dà 4. Vale per l'N di ammidi, anilina e pirrolo, per l'O di esteri, fenolo e furano e per l'O⁻ dei gruppi carbossilato e nitro.

Come usare il calcolatore passo per passo

1. Apri il calcolatore di carica formale e ibridazione.
2. Disegna la struttura nell'editor, oppure scrivi nella casella SMILES o formula e premi Calcola. Formule come NO3-, SO4^2- o XeF4 funzionano per specie con un solo atomo centrale. Per tutto il resto, usa SMILES come C[N+](=O)[O-].
3. Oppure premi un pulsante di esempio: CO₂, NO₃⁻, Ozono, Nitrometano, Acetato, Anilina e altri.
4. Leggi la tabella. Ogni riga mostra V, N, B, il calcolo Carica formale = V − N − B/2, il numero sterico, l'ibridazione, la geometria elettronica, la forma e l'angolo di legame approssimativo. Spunta Mostra gli atomi di idrogeno nella tabella per elencare anche gli atomi di H.
5. Un asterisco sul numero sterico indica una coppia solitaria coniugata (sp² invece di sp³).
6. Usa Verifica manuale della carica formale per un singolo atomo di una struttura disegnata su carta: inserisci l'elemento, gli atomi legati, i legami disegnati e le coppie solitarie.
7. Premi Apri in MolDraw per conservare la struttura ed esportarla.

Esempi svolti

1. Ione nitrato, NO₃⁻

Un doppio legame N=O e due legami singoli N–O. N non ha coppie solitarie: CF = 5 − 0 − 8/2 = +1. L'O legato con doppio legame ha 2 coppie solitarie: CF = 6 − 4 − 4/2 = 0. Ogni O legato con legame singolo ha 3 coppie solitarie: CF = 6 − 6 − 2/2 = −1. Somma = +1 + 0 − 1 − 1 = −1. N ha tre legami σ e nessuna coppia solitaria, quindi è sp² e trigonale planare (120°).

2. Ozono, O₃

L'O centrale ha una coppia solitaria, un doppio e un singolo legame: CF = 6 − 2 − 6/2 = +1. L'O terminale con legame singolo ha 3 coppie solitarie: CF = 6 − 6 − 1 = −1. L'O terminale con doppio legame ha 0. L'O centrale ha numero sterico 3 (2 atomi + 1 coppia solitaria), quindi è sp² e angolato, con un angolo misurato di 116,8°.

3. Ione cianuro, CN⁻

C≡N con una coppia solitaria su ciascun atomo. C: CF = 4 − 2 − 6/2 = −1. N: CF = 5 − 2 − 6/2 = 0. La carica negativa si trova sul carbonio, ed è per questo che il cianuro si lega ai metalli tramite C. Entrambi gli atomi sono sp.

4. Nitrometano, CH₃NO₂

N ha quattro legami (un C–N, un N=O, un N–O) e nessuna coppia solitaria: CF = 5 − 0 − 8/2 = +1. L'O con legame singolo è −1. Disegnare due legami N=O metterebbe 10 elettroni sull'azoto, che un atomo del secondo periodo non può ospitare. N è sp² e il carbonio del CH₃ è sp³.

5. Acetammide, CH₃CONH₂

Tutte le cariche formali sono 0. L'N ha tre legami σ e una coppia solitaria, quindi il conteggio semplice dice sp³. La coppia solitaria è adiacente al legame π C=O e si delocalizza, quindi l'N ammidico è sp² e planare. Per questo il legame C–N delle ammidi ha un parziale carattere di doppio legame.

Tabella riassuntiva

Errori comuni

• Sottrarre B invece di B/2. Se B è contato in elettroni, dividi per 2.
• Contare le coppie solitarie invece degli elettroni delle coppie solitarie in N. Due coppie solitarie danno N = 4.
• Contare un doppio legame come due domini nel calcolo del numero sterico.
• Dare a C, N o O più di 8 elettroni. Solo gli atomi dal periodo 3 in giù (P, S, Cl, Xe) possono espandere l'ottetto.
• Chiamare sp³ l'azoto di un'ammide o dell'anilina.
• Confondere la carica formale con il numero di ossidazione. Nella CO₂, C ha carica formale 0 ma numero di ossidazione +4.

Consigli per l'esame (JEE, NEET, AP, A-level)

• Controlla la somma. Le cariche formali devono sommarsi alla carica dello ione. Se non è così, manca o c'è in più una coppia solitaria.
• Migliore struttura di Lewis: cariche formali più vicine a zero, carica negativa sull'atomo più elettronegativo, nessun ottetto oltre 8 per gli atomi del periodo 2.
• JEE e NEET chiedono spesso l'ibridazione dell'atomo centrale in ioni come I₃⁻ (sp³d), XeF₄ (sp³d²) e SO₄²⁻ (sp³). Usa il numero sterico.
• Le domande a risposta aperta di AP Chemistry chiedono di giustificare la migliore struttura di risonanza o di Lewis con le cariche formali. Scrivi il calcolo V − N − B/2.
• Le domande di chimica organica dell'A-level sulla planarità delle ammidi o sulla basicità dell'anilina si basano sull'azoto sp² e sulla sua coppia solitaria delocalizzata.

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