Jak obliczyć ładunek formalny i hybrydyzację – z darmowym kalkulatorem

Czym jest ładunek formalny

Ładunek formalny to ładunek, jaki miałby atom, gdyby każde wiązanie we wzorze Lewisa było dzielone po równo między oba atomy. To narzędzie rachunkowe. Mówi, gdzie w danym wzorze Lewisa znajduje się ładunek jonu, i pomaga wybrać najlepszą strukturę, gdy jest ich kilka.

Wzór to FC = V − N − B/2.

• V to liczba elektronów walencyjnych wolnego atomu. Dla pierwiastków grup głównych odpowiada numerowi grupy (w starej numeracji): C = 4, N = 5, O = 6, F i Cl = 7.
• N to liczba elektronów niewiążących na atomie. Każda wolna para liczy się jako 2.
• B to liczba elektronów wiążących wokół atomu. Wiązanie pojedyncze liczy się jako 2, podwójne jako 4, a potrójne jako 6. B/2 to po prostu liczba wiązań.

Ładunki formalne wszystkich atomów sumują się do całkowitego ładunku cząsteczki lub jonu.

Czym jest hybrydyzacja i jak ją wyznaczyć

Hybrydyzacja opisuje, jakiej mieszaniny orbitali s i p atom używa do wiązań σ i wolnych par. Wyznacza się ją z liczby przestrzennej: liczby atomów związanych z danym atomem plus liczby jego wolnych par. Wiązania podwójne i potrójne liczą się raz, bo dwa atomy łączy tylko jedno wiązanie σ.

Wyjątek sprzężenia. Azot, tlen lub karboanion z wolną parą sąsiadującą z wiązaniem π zwykle umieszcza tę wolną parę na orbitalu p, aby mogła się zdelokalizować. Atom używa wtedy trzech orbitali zhybrydyzowanych i ma hybrydyzację sp², choć proste liczenie daje 4. Dotyczy to N w amidach, anilinie i pirolu, O w estrach, fenolu i furanie oraz O⁻ w grupach karboksylanowych i nitrowych.

Jak korzystać z kalkulatora krok po kroku

1. Otwórz kalkulator ładunku formalnego i hybrydyzacji.
2. Narysuj strukturę w edytorze albo wpisz ją w pole SMILES lub wzór i naciśnij Oblicz. Wzory takie jak NO3-, SO4^2- czy XeF4 działają dla indywiduów z jednym atomem centralnym. W pozostałych przypadkach użyj SMILES, np. C[N+](=O)[O-].
3. Albo naciśnij przycisk przykładu: CO₂, NO₃⁻, Ozon, Nitrometan, Octan, Anilina i inne.
4. Odczytaj tabelę. Każdy wiersz pokazuje V, N, B, obliczenie Ładunek formalny = V − N − B/2, liczbę przestrzenną, hybrydyzację, geometrię elektronową, kształt i przybliżony kąt między wiązaniami. Zaznacz Pokaż atomy wodoru w tabeli, aby wypisać też atomy H.
5. Gwiazdka przy liczbie przestrzennej oznacza sprzężoną wolną parę (sp² zamiast sp³).
6. Użyj Ręczne sprawdzenie ładunku formalnego dla pojedynczego atomu w strukturze narysowanej na papierze: wpisz pierwiastek, liczbę przyłączonych atomów, narysowane wiązania i wolne pary.
7. Naciśnij Otwórz w MolDraw, aby zachować strukturę i ją wyeksportować.

Rozwiązane przykłady

1. Jon azotanowy, NO₃⁻

Jedno wiązanie podwójne N=O i dwa pojedyncze N–O. N nie ma wolnych par: FC = 5 − 0 − 8/2 = +1. O związany wiązaniem podwójnym ma 2 wolne pary: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. Każdy O związany wiązaniem pojedynczym ma 3 wolne pary: FC = 6 − 6 − 2/2 = −1. Suma = +1 + 0 − 1 − 1 = −1. N ma trzy wiązania σ i brak wolnej pary, więc ma hybrydyzację sp² i geometrię płaską trygonalną (120°).

2. Ozon, O₃

Centralny O ma jedną wolną parę, jedno wiązanie podwójne i jedno pojedyncze: FC = 6 − 2 − 6/2 = +1. Skrajny O związany wiązaniem pojedynczym ma 3 wolne pary: FC = 6 − 6 − 1 = −1. Skrajny O związany wiązaniem podwójnym ma 0. Centralny O ma liczbę przestrzenną 3 (2 atomy + 1 wolna para), więc ma hybrydyzację sp² i kształt kątowy, ze zmierzonym kątem 116,8°.

3. Jon cyjankowy, CN⁻

C≡N z jedną wolną parą na każdym atomie. C: FC = 4 − 2 − 6/2 = −1. N: FC = 5 − 2 − 6/2 = 0. Ładunek ujemny jest na węglu, dlatego cyjanek wiąże się z metalami przez C. Oba atomy mają hybrydyzację sp.

4. Nitrometan, CH₃NO₂

N ma cztery wiązania (jedno C–N, jedno N=O, jedno N–O) i brak wolnych par: FC = 5 − 0 − 8/2 = +1. O związany wiązaniem pojedynczym ma −1. Narysowanie dwóch wiązań N=O dałoby azotowi 10 elektronów, czego atom drugiego okresu nie może pomieścić. N ma hybrydyzację sp², a węgiel CH₃ sp³.

5. Acetamid, CH₃CONH₂

Wszystkie ładunki formalne wynoszą 0. N ma trzy wiązania σ i jedną wolną parę, więc proste liczenie daje sp³. Wolna para sąsiaduje z wiązaniem π C=O i ulega delokalizacji, więc azot amidowy ma hybrydyzację sp² i jest płaski. Dlatego wiązanie C–N w amidach ma częściowy charakter wiązania podwójnego.

Tabela podsumowująca

Częste błędy

• Odejmowanie B zamiast B/2. Gdy B liczysz w elektronach, podziel przez 2.
• Liczenie wolnych par zamiast elektronów wolnych par w N. Dwie wolne pary dają N = 4.
• Liczenie wiązania podwójnego jako dwóch domen przy wyznaczaniu liczby przestrzennej.
• Przypisywanie C, N lub O więcej niż 8 elektronów. Tylko atomy z 3. okresu i dalszych (P, S, Cl, Xe) mogą rozszerzać oktet.
• Nazywanie azotu amidowego lub anilinowego sp³.
• Mylenie ładunku formalnego ze stopniem utlenienia. W CO₂ C ma ładunek formalny 0, ale stopień utlenienia +4.

Wskazówki egzaminacyjne (JEE, NEET, AP, A-level)

• Sprawdź sumę. Ładunki formalne muszą sumować się do ładunku jonu. Jeśli tak nie jest, brakuje wolnej pary lub jest jedna za dużo.
• Najlepszy wzór Lewisa: ładunki formalne najbliższe zeru, ładunek ujemny na atomie bardziej elektroujemnym, brak oktetu powyżej 8 dla atomów 2. okresu.
• JEE i NEET często pytają o hybrydyzację atomu centralnego w jonach takich jak I₃⁻ (sp³d), XeF₄ (sp³d²) i SO₄²⁻ (sp³). Użyj liczby przestrzennej.
• Pytania otwarte w AP Chemistry wymagają uzasadnienia najlepszej struktury rezonansowej lub wzoru Lewisa ładunkami formalnymi. Zapisz obliczenie V − N − B/2.
• Pytania z chemii organicznej na A-level o płaskość amidów lub zasadowość aniliny opierają się na azocie sp² i jego zdelokalizowanej wolnej parze.

Powiązane narzędzia

Powiązane poradniki