コア コンセプト
正式請求 分子構造と反応をよりよく理解するために習得する必要不可欠な基本概念です。このチュートリアルでは、正式な料金とは何か、その計算方法、および実際の重要性について学びます。
他の記事で取り上げるトピック
- 陽子、中性子、電子の定量化
- 陽イオンと陰イオン
- ルイスドット構造
- 共鳴構造
語彙
- イオン: 電子の有無により正味のイオン電荷を持つ原子または分子。
- 分子: 結合した原子のグループ
- 共鳴: 複数の可能な構造を持つ分子内のハイブリッド結合を説明するために使用される用語。
フォーマルチャージとは
正式請求 は、結合内のすべての電子が等しく共有されているという仮定の下で、原子に割り当てられる電荷です。これは仮想的な尺度であり、原子の実際の電荷を実際に表したものではなく、結合内の原子間で電子が実際にどのように共有されているかを調べます。しかし、それについては後で詳しく説明します!
正式料金の計算方法:
形式電荷 (FC) =(価電子の数) – (½)(結合電子の数) – (結合していない電子の数)
例:
NH3 :窒素の正式な電荷は?
窒素には、5 つの価電子、6 つの結合電子 (それぞれ 2 つの電子を含む 3 つの単結合があるため)、および 2 つの非結合電子があります。したがって:
FC =(5) – (½)(6) – (2)
FC =0
CH3 O:炭素の正式な電荷は?
炭素には 4 つの価電子、8 つの結合電子 (2 つの単結合と 1 つの二重結合) があり、非結合電子はありません。したがって:
FC =(4) – (½)(8) – 0
FC =0
注:これら 2 つの例の正式な料金はゼロですが、常にそうであるとは限りません。以下では、ゼロ以外の料金の例をいくつか見ていきます。
正式請求の意義
1.分子構造
理想的には、分子内の原子はゼロの形式電荷を持つことを望んでいます。これは最低エネルギーであり、したがって最も安定した状態です。複数のオプションがある場合、これは分子の構造への手掛かりになります。形式料金が最小/最小のものは、好ましい構造です。これを理解するのに役立つ特定のガイドラインもあります:
<オール>例:N<sub>2 の 3 つの可能な構造を以下に示します。 O. どの構造が正しいか考えてみましょう。
<オール> まず、左側の窒素の形式電荷を計算します。窒素には 5 つの価電子があり、この原子には 6 つの結合電子 (三重結合) と 2 つの非結合電子があるため、形式電荷は (5) – (½)(6) – (2) =0 です。
次に、真ん中の窒素について計算します。これには 8 つの結合電子があり、非結合電子がないため、FC は (5) – (½)(8) – (0) =+1 です。
最後に、酸素の形式電荷を計算します。酸素には 6 つの価電子があり、この原子には 2 つの結合電子と 6 つの非結合電子があるため、FC は (6) – (½)(2) – (6) =-1 です。
同様に、左側の窒素の正式な電荷を計算します:(5) – (½)(4) – (4) =-1.
次に、中央の窒素の正式な電荷:(5) – (½)(8) – (0) =+1.
最後に、酸素の正式な電荷:(6) – (½)(4) – (4) =0.
繰り返しますが、最初に左側の窒素の正式な電荷を計算します:(5) – (½)(2) – (6) =-2.
次に、中央の窒素の正式な電荷:(5) – (½)(8) – (0) =+1.
最後に、酸素の正式な電荷:(6) – (½)(6) – (2) =+1.
これらの計算された正式な料金を考慮して、上記のガイドラインを参照してください。まず、すべての正式な料金がゼロになる構造はありますか?ないので、ルール 2 に進みます。上の 2 つよりもゼロでない電荷の数が多いため、これにより下の構造が削除されます (これには -2 の電荷が含まれているのに対し、他の 2 つの構造には +/-1 しか含まれていないため、より多くの電荷があります)。上部構造と中間構造の両方に、反対の電荷を持つ隣接する原子があるため、どちらもルール #3 を満たしています。これにより、ルール 4 が残ります。つまり、好ましい構造は、電気陰性度の高い原子に負電荷を持つ構造です。酸素は窒素よりも電気陰性度が高いため、好ましい構造は酸素に負電荷を持つ構造、つまり上部構造です!
また、分子内の原子のすべての形式電荷の合計が、分子/イオンの全体的な電荷と等しくなければならないことにも注意してください。つまり、中性分子の場合は合計がゼロになり、そうでない場合は合計がイオンの電荷になります。
例:イオン BH4 全体の電荷は -1 です。これは、その中のすべての個々の原子の形式電荷を合計すると -1 になることを意味します。これが本当か見てみましょう。
ホウ素には、3 つの価電子、8 つの結合電子、およびゼロの非結合電子があります。これにより、正式な電荷が (3) – (½)(8) – (0) =-1 になります。
この分子の 4 つの水素はすべて同一であるため、すべての形式電荷を一度に計算できます。水素には、1 つの価電子、2 つの結合電子、およびゼロの非結合電子があります。これにより、正式な電荷が (1) – (½)(2) – (0) =0 になります。
ご覧のとおり、これを合計すると 0 + 0 + 0 + 0 + (-1) =-1 になります。この合計は、-1 であるイオンの全体的な電荷に等しくなります。
2.共鳴
上で説明したように、形式電荷は分子の好ましい構造を示すことができますが、同じように好ましい構造が複数ある場合、状況はもう少し複雑になります。この状況は、共鳴構造を示している可能性があります。特に、構造が原子の配置は同じであるが、結合の種類または配置が異なる場合に顕著です。
例:下の図は、イオン CO3 の 3 つの可能な構造を示しています。 .原子の配置は 3 つの構造すべてで同じですが (中心に炭素があり、3 つの酸素に接続されています)、二重結合の配置は 3 つのそれぞれで異なります。
それらのそれぞれで、中心炭素の形式電荷は 0、二重結合の酸素は 0、2 つの単結合の酸素はそれぞれ -1 です。これらを自分で正しく計算できるかどうかを確認してください。上記で説明したように、0 + 0 + (-1) + (-1) の合計が -2 になることに注意してください。これは、イオンの全体的な電荷です。
これらの結合は 3 つの構造すべてで同じであるため、分子内での配置が異なるだけで、各構造の形式電荷とその分布はまったく同じです。つまり、それぞれが等しく発生する可能性が高いことを意味します。これは、3 つすべてが正しい構造であることを意味し、実際には、分子は 3 つすべての構造のハイブリッドを形成します。
ここで共鳴構造の詳細を読み、ここで他の例を参照してください!
3.反応性
最後に、形式電荷は、分子が反応中にどのように振る舞うかについての指標を与えることができます.原子が負の形式電荷を持っている場合、反応における電子源になる可能性が高くなります (求核剤)。逆に、正の値を持っている場合は、電子を受け入れる可能性が高く (求電子剤)、特にその原子が反応部位である可能性が最も高くなります。
正式な料金と実際の料金
正式な電荷が原子の実際の電荷と異なっていないことも重要です。正式な電荷は電気陰性度を考慮していません。結合内の電子が均等に共有されていると仮定しています。これは単なる形式であり、分子構造と反応メカニズムを理解するために使用されます。一方、実際の電荷は、原子の電気陰性度と結合の極性に基づいて、実際の電子密度を調べます。これらのトピックの詳細については、イオン双極子力、周期的傾向、および極性に関するチュートリアルをご覧ください!
さらに読む
- 電子殻構成
- 酸化状態
- 分子幾何学
- 椅子の構造
