如何計算形式電荷與混成軌域（附免費計算器）
簡短回答：形式電荷為 FC = V − N − B/2，其中 V 是自由原子的價電子數，N 是非鍵結電子數，B 是鍵結電子數。混成軌域由立體數（相連原子數加孤電子對數）決定：2 為 sp，3 為 sp²，4 為 sp³。在硝酸根中，N 的 FC = 5 − 0 − 8/2 = +1，為 sp²。免費的 MolDraw 形式電荷與混成軌域計算器能為分子或離子的每個原子同時算出兩者。
什麼是形式電荷
形式電荷是假設路易斯結構中每根鍵都由兩個原子平均共用時，原子所帶的電荷。它是一種記帳工具，能告訴你在某個路易斯結構中離子的電荷位於哪裡，並在有多種結構時幫你選出最佳的一種。
公式為 FC = V − N − B/2。
- V 是自由原子的價電子數。對主族元素而言就是族號：C = 4，N = 5，O = 6，F 與 Cl = 7。
- N 是該原子上的非鍵結電子數。每對孤電子對算作 2。
- B 是該原子周圍的鍵結電子數。單鍵算作 2，雙鍵算作 4，參鍵算作 6。B/2 就是鍵數。
所有原子的形式電荷總和等於分子或離子的總電荷。
什麼是混成軌域，以及如何判斷
混成軌域描述原子以哪種 s 與 p 軌域的組合來形成 σ 鍵並容納孤電子對。可由立體數判斷：與該原子相連的原子數加上孤電子對數。雙鍵與參鍵只算一次，因為連接兩個原子的 σ 鍵只有一根。
| 立體數 2 | sp，直線形，180°。例如：CO₂ 與 HC≡CH 中的 C。 |
|---|---|
| 立體數 3 | sp²，平面三角形，120°。例如：C=O 中的 C、NO₃⁻ 中的 N。 |
| 立體數 4 | sp³，四面體，109.5°。例如：CH₄、NH₃ 中的 N（≈107°）、H₂O 中的 O（≈104.5°）。 |
| 立體數 5 | sp³d，雙三角錐。例如：PCl₅、SF₄、ClF₃。 |
| 立體數 6 | sp³d²，八面體。例如：SF₆、XeF₄。 |
共軛例外。與 π 鍵相鄰、帶孤電子對的氮、氧或碳陰離子，通常會把這對孤電子對放在 p 軌域中，讓它能夠離域。這時原子使用三個混成軌域，屬於 sp²，雖然單純計數會得到 4。這適用於醯胺、苯胺與吡咯中的 N，酯、酚與呋喃中的 O，以及羧酸根與硝基中的 O⁻。
逐步使用計算器
- 開啟形式電荷與混成軌域計算器。
- 在編輯器中畫出結構，或在 SMILES 或化學式框中輸入並按計算。
NO3-、SO4^2-或XeF4等化學式適用於只有一個中心原子的物種。其他情況請使用 SMILES，例如C[N+](=O)[O-]。 - 也可以按範例按鈕：CO₂、NO₃⁻、臭氧、硝基甲烷、乙酸根、苯胺等。
- 閱讀表格。每一列會顯示 V、N、B、算式形式電荷 = V − N − B/2、立體數、混成軌域、電子幾何、分子形狀與近似鍵角。勾選在表格中顯示氫原子，也會列出 H 原子。
- 立體數旁的星號表示孤電子對有共軛（為 sp² 而非 sp³）。
- 若要檢查你在紙上畫的結構中的單一原子，請使用手動檢查形式電荷：輸入元素、相連原子數、畫出的鍵數與孤電子對數。
- 按在 MolDraw 中開啟，保留結構並匯出。
範例解析
1. 硝酸根離子，NO₃⁻
一根 N=O 雙鍵與兩根 N–O 單鍵。N 沒有孤電子對：FC = 5 − 0 − 8/2 = +1。雙鍵 O 有 2 對孤電子對：FC = 6 − 4 − 4/2 = 0。每個單鍵 O 有 3 對孤電子對：FC = 6 − 6 − 2/2 = −1。總和 = +1 + 0 − 1 − 1 = −1。N 有三根 σ 鍵且沒有孤電子對，所以是 sp²，呈平面三角形（120°）。
2. 臭氧，O₃
中心 O 有一對孤電子對、一根雙鍵與一根單鍵：FC = 6 − 2 − 6/2 = +1。單鍵端的 O 有 3 對孤電子對：FC = 6 − 6 − 1 = −1。雙鍵端的 O 為 0。中心 O 的立體數為 3（2 個原子 + 1 對孤電子對），所以是 sp²，呈彎曲形，實測鍵角為 116.8°。
3. 氰離子，CN⁻
C≡N，每個原子上各有一對孤電子對。C：FC = 4 − 2 − 6/2 = −1。N：FC = 5 − 2 − 6/2 = 0。負電荷位於碳上，這就是氰離子透過 C 與金屬鍵結的原因。兩個原子都是 sp。
4. 硝基甲烷，CH₃NO₂
N 有四根鍵（一根 C–N、一根 N=O、一根 N–O），沒有孤電子對：FC = 5 − 0 − 8/2 = +1。單鍵 O 為 −1。若畫成兩根 N=O 鍵，氮上會有 10 個電子，而第二週期的原子無法容納。N 為 sp²，CH₃ 的碳為 sp³。
5. 乙醯胺，CH₃CONH₂
所有形式電荷都是 0。N 有三根 σ 鍵與一對孤電子對，單純計數會得到 sp³。但這對孤電子對緊鄰 C=O 的 π 鍵並發生離域，所以醯胺的 N 是 sp²，呈平面。這就是醯胺中 C–N 鍵具有部分雙鍵性質的原因。
整理表
| 物種 | 原子：形式電荷，混成軌域 |
|---|---|
| CO₂ | C：0，sp。O：0，sp²。 |
| NO₃⁻ | N：+1，sp²。單鍵 O：各 −1。 |
| CO₃²⁻ | C：0，sp²。兩個單鍵 O：各 −1。 |
| NH₄⁺ | N：+1，sp³，四面體。 |
| H₃O⁺ | O：+1，sp³，三角錐形。 |
| CN⁻ | C：−1，sp。N：0，sp。 |
| SO₄²⁻（兩根 S=O） | S：0，sp³。兩個 O：各 −1。 |
| CH₃COO⁻ | O⁻：−1，sp²（共軛）。羧基 C：sp²。 |
常見錯誤
- 減去 B 而不是 B/2。B 以電子數計算時要除以 2。
- 計算 N 時數的是孤電子對的對數，而不是電子數。兩對孤電子對代表 N = 4。
- 求立體數時把雙鍵算成兩個電子域。
- 讓 C、N 或 O 超過 8 個電子。只有第三週期以後的原子（P、S、Cl、Xe）才能擴展八隅體。
- 把醯胺或苯胺中的氮說成 sp³。
- 混淆形式電荷與氧化數。在 CO₂ 中，C 的形式電荷為 0，但氧化數為 +4。
考試要點（JEE、NEET、AP、A-level）
- 檢查總和。形式電荷的總和必須等於離子的電荷。若不相等，表示少了或多了一對孤電子對。
- 最佳路易斯結構：形式電荷最接近零、負電荷位於電負度較大的原子上，且第二週期原子不超過八隅體。
- JEE 與 NEET 常考離子中中心原子的混成軌域，例如 I₃⁻（sp³d）、XeF₄（sp³d²）與 SO₄²⁻（sp³）。用立體數判斷即可。
- AP 化學的申論題會要求你以形式電荷說明最佳的共振式或路易斯結構。請寫出 V − N − B/2 的計算過程。
- A-level 有機化學中關於醯胺平面性或苯胺鹼性的題目，都建立在 sp² 氮及其離域孤電子對的觀念上。
問與答
形式電荷的公式是什麼？
形式電荷 = V − N − B/2。V 是自由原子的價電子數，N 是該原子上的非鍵結電子數，B 是它所在之鍵中的電子數。一對孤電子對在 N 中算作 2；一根單鍵在 B 中算作 2。
NH4+ 中 N 的形式電荷是多少？
氮有 5 個價電子、沒有孤電子對，並有 4 根單鍵（8 個鍵結電子）。FC = 5 − 0 − 8/2 = +1。每個氫的 FC = 1 − 0 − 2/2 = 0，所以這個離子帶 +1 電荷。
如何快速判斷混成軌域？
把與該原子相連的原子數與它的孤電子對數相加，就是立體數：2 = sp，3 = sp²，4 = sp³，5 = sp³d，6 = sp³d²。雙鍵或參鍵只算一個。
為什麼苯胺中的氮是 sp2？
它的孤電子對緊鄰苯環，會離域到 π 系統中。離域的孤電子對位於 p 軌域，因此氮只使用三個混成軌域，屬於 sp²。醯胺、吡咯與烯胺中的氮也是如此。
形式電荷可以是 +2 或 −2 嗎？
可以，但在合理的路易斯結構中很少見。在硫酸根的八隅體形式中（四根 S–O 單鍵），硫的 FC = 6 − 0 − 8/2 = +2。通常會優先選擇電荷較接近零的結構。
形式電荷是真實的電荷嗎？
不是。它是一種假設每根鍵都被平均共用的記帳方法。真實的部分電荷取決於電負度。在 H3O+ 中，形式上的 +1 在 O 上，但實際上大部分正電荷是由 H 原子承擔。
CO2 中碳的混成軌域是什麼？
碳與兩個氧原子相連，沒有孤電子對，所以立體數為 2，屬於 sp 混成。分子呈直線形，O=C=O 鍵角為 180°。