Как рассчитать формальный заряд и гибридизацию: руководство и бесплатный калькулятор

Что такое формальный заряд

Формальный заряд — это заряд, который был бы у атома, если бы каждая связь в структуре Льюиса была поделена между двумя атомами поровну. Это инструмент учёта. Он показывает, где находится заряд иона в данной структуре Льюиса, и помогает выбрать лучшую структуру, если их несколько.

Формула: ФЗ = V − N − B/2.

• V — число валентных электронов свободного атома. Для элементов главных подгрупп оно равно номеру группы: C = 4, N = 5, O = 6, F и Cl = 7.
• N — число несвязывающих электронов на атоме. Каждая неподелённая пара даёт 2.
• B — число связывающих электронов вокруг атома. Одинарная связь даёт 2, двойная — 4, тройная — 6. B/2 — это просто число связей.

Сумма формальных зарядов всех атомов равна общему заряду молекулы или иона.

Что такое гибридизация и как её определить

Гибридизация описывает, какую комбинацию s- и p-орбиталей атом использует для σ-связей и неподелённых пар. Определите её по стерическому числу: числу атомов, связанных с данным атомом, плюс число его неподелённых пар. Двойные и тройные связи считаются один раз, потому что два атома соединяет только одна σ-связь.

Исключение для сопряжения. Атом азота, кислорода или карбанион с неподелённой парой рядом с π-связью обычно помещает эту пару на p-орбиталь, чтобы она могла делокализоваться. Тогда атом использует три гибридные орбитали и находится в состоянии sp², хотя простой подсчёт даёт 4. Это относится к N амидов, анилина и пиррола, O сложных эфиров, фенола и фурана и O⁻ карбоксилатных и нитрогрупп.

Как пользоваться калькулятором шаг за шагом

1. Откройте калькулятор формального заряда и гибридизации.
2. Нарисуйте структуру в редакторе или введите её в поле SMILES или формула и нажмите Рассчитать. Формулы вроде NO3-, SO4^2- или XeF4 подходят для частиц с одним центральным атомом. Для всего остального используйте SMILES, например C[N+](=O)[O-].
3. Или нажмите кнопку примера: CO₂, NO₃⁻, Озон, Нитрометан, Ацетат, Анилин и другие.
4. Прочитайте таблицу. В каждой строке — V, N, B, расчёт Формальный заряд = V − N − B/2, стерическое число, гибридизация, электронная геометрия, форма и примерный валентный угол. Отметьте Показывать атомы водорода в таблице, чтобы увидеть и атомы H.
5. Звёздочка у стерического числа отмечает сопряжённую неподелённую пару (sp² вместо sp³).
6. Используйте Ручная проверка формального заряда для одного атома в структуре, нарисованной на бумаге: введите элемент, число присоединённых атомов, нарисованных связей и неподелённых пар.
7. Нажмите Открыть в MolDraw, чтобы сохранить структуру и экспортировать её.

Разобранные примеры

1. Нитрат-ион, NO₃⁻

Одна двойная связь N=O и две одинарные N–O. У N нет неподелённых пар: ФЗ = 5 − 0 − 8/2 = +1. У O с двойной связью 2 неподелённые пары: ФЗ = 6 − 4 − 4/2 = 0. У каждого O с одинарной связью 3 неподелённые пары: ФЗ = 6 − 6 − 2/2 = −1. Сумма = +1 + 0 − 1 − 1 = −1. У N три σ-связи и нет неподелённой пары, поэтому он sp²-гибридизован, форма плоская треугольная (120°).

2. Озон, O₃

У центрального O одна неподелённая пара, одна двойная и одна одинарная связь: ФЗ = 6 − 2 − 6/2 = +1. У концевого O с одинарной связью 3 неподелённые пары: ФЗ = 6 − 6 − 1 = −1. У концевого O с двойной связью 0. Стерическое число центрального O равно 3 (2 атома + 1 неподелённая пара), поэтому он sp²-гибридизован, молекула угловая, измеренный угол 116,8°.

3. Цианид-ион, CN⁻

C≡N с одной неподелённой парой на каждом атоме. C: ФЗ = 4 − 2 − 6/2 = −1. N: ФЗ = 5 − 2 − 6/2 = 0. Отрицательный заряд находится на углероде — поэтому цианид связывается с металлами через C. Оба атома sp-гибридизованы.

4. Нитрометан, CH₃NO₂

У N четыре связи (одна C–N, одна N=O, одна N–O) и нет неподелённых пар: ФЗ = 5 − 0 − 8/2 = +1. У O с одинарной связью −1. Если нарисовать две связи N=O, у азота окажется 10 электронов, а атом второго периода столько удержать не может. N sp²-гибридизован, углерод CH₃ — sp³.

5. Ацетамид, CH₃CONH₂

Все формальные заряды равны 0. У N три σ-связи и одна неподелённая пара, поэтому простой подсчёт даёт sp³. Но неподелённая пара находится рядом с π-связью C=O и делокализуется, поэтому N амида sp²-гибридизован и плоский. Именно поэтому связь C–N в амидах частично двойная.

Сводная таблица

Частые ошибки

• Вычитать B вместо B/2. Если B считается в электронах, делите на 2.
• Считать для N неподелённые пары, а не их электроны. Две неподелённые пары дают N = 4.
• Считать двойную связь двумя доменами при определении стерического числа.
• Давать C, N или O больше 8 электронов. Расширять октет могут только атомы третьего периода и ниже (P, S, Cl, Xe).
• Считать азот амида или анилина sp³-гибридизованным.
• Путать формальный заряд со степенью окисления. В CO₂ у C формальный заряд 0, а степень окисления +4.

Советы к экзаменам (ЕГЭ, JEE, NEET, AP, A-level)

• Проверяйте сумму. Сумма формальных зарядов должна равняться заряду иона. Если не равна — неподелённая пара пропущена или лишняя.
• Лучшая структура Льюиса: формальные заряды как можно ближе к нулю, отрицательный заряд — на более электроотрицательном атоме, не больше 8 электронов у атомов второго периода.
• На JEE и NEET часто спрашивают гибридизацию центрального атома в ионах вроде I₃⁻ (sp³d), XeF₄ (sp³d²) и SO₄²⁻ (sp³). Используйте стерическое число.
• В AP Chemistry в заданиях с развёрнутым ответом нужно обосновать лучшую резонансную структуру или структуру Льюиса формальными зарядами. Записывайте расчёт V − N − B/2.
• В A-level вопросы по органике о планарности амидов или основности анилина опираются на sp²-гибридизованный азот и его делокализованную неподелённую пару.

Связанные инструменты

Полезные руководства