نحوه محاسبه شارژ رسمی

برای محاسبه بار رسمی یک اتم، با این کار شروع می کنیم:

ارزیابی تعداد الکترون های ظرفیت (VE) اتم خنثی (به عنوان مثال 3 برای بور، 4 برای کربن، 5 برای نیتروژن، و غیره). (توجه: این همچنین معادل بار هسته ای موثر Zeff است، تعداد پروتون هایی که یک الکترون در مدار ظرفیتی به دلیل غربالگری توسط الکترون های لایه داخلی می بیند.)
شمارش تعداد الکترون‌های ظرفیتی غیرپیوندی (NBE) روی اتم. هر جفت تنها به عنوان 2 و هر الکترون جفت نشده به عنوان 1 به حساب می آید.
شمارش تعداد پیوندها (B) به اتم، یا به طور متناوب، شمارش تعداد الکترون های پیوند و تقسیم آن بر 2.

سپس هزینه رسمی FC با کم کردن NBE و B  از VE محاسبه می‌شود.

FC = VE – (NBE + B)

که معادل است

FC = VE – NBE – B

اگر تمام اطلاعات به شما داده شود، محاسبه بسیار ساده است. با این حال، برای حفظ اختصار، مواقعی وجود دارد که جفت‌های تنها و پیوندهای C-H به صراحت ترسیم نمی‌شوند.

بنابراین بخشی از ترفند برای شما محاسبه هزینه رسمی در شرایطی است که باید جفت‌های تنها و پیوندهای C-H ضمنی را در نظر بگیرید.

در مقاله زیر به بسیاری از این موقعیت ها خواهیم پرداخت. ما همچنین به شما در مورد موقعیت هایی هشدار می دهیم که بار رسمی محاسبه شده یک اتم لزوماً سرنخ خوبی برای واکنش پذیری آن نیست، که در آینده بسیار مهم است.

فهرست مطالب

اتهام رسمی
مثال های ساده برای عناصر ردیف اول
محاسبه هزینه رسمی زمانی که تمام جزئیات به شما داده نمی شود
برخی از مشکلات کلاسیک شارژ رسمی
شارژهای رسمی و فلش های منحنی
هالوژن ها
نتیجه
یادداشت
خودت امتحان کن
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. شارژ رسمی

شارژ رسمی یک فرمالیسم حسابداری برای تخصیص شارژ به یک اتم خاص است.

برای به دست آوردن بار رسمی یک اتم، با شمردن تعداد الکترون های ظرفیت [نکته 1] برای اتم خنثی شروع می کنیم، و سپس تعداد الکترون هایی را که “مالک” آن است (یعنی الکترون ها به صورت جفت یا به تنهایی) از آن کم می کنیم. -اوربیتال های اشغال شده) و نیمی از الکترون های مشترک (نصف تعداد الکترون های پیوندی که معادل تعداد پیوندها است)

ساده ترین راه برای نوشتن فرمول شارژ رسمی (FC)  این است:

FC = VE – NBE – B

جایی که

VE مربوط به تعداد الکترون های اطراف اتم خنثی است (3 برای بور، 4 برای کربن، 5 برای نیتروژن، 6 برای اکسیژن، 7 برای فلوئور)
NBE مربوط به تعداد الکترون های غیرپیوندی در اطراف اتم است (2 برای یک جفت تنها، 1 برای یک اوربیتال تک اشغال شده، 0 برای یک اوربیتال خالی)
B تعداد پیوندهای اطراف اتم است (معادل نصف تعداد الکترون های پیوند)

این بار “رسمی” نامیده می شود زیرا فرض می کند که همه الکترون های پیوند به طور مساوی به اشتراک گذاشته می شوند. تفاوت های الکترونگاتیوی (به عنوان مثال دوقطبی) را در نظر نمی گیرد.

به همین دلیل بار رسمی همیشه راهنمای خوبی برای مکان واقعی الکترون ها در یک مولکول نیست و می تواند راهنمای غیر قابل اعتمادی برای واکنش پذیری باشد. در زیر در مورد آن چیزهای بیشتری برای گفتن خواهیم داشت.

2. مثال های ساده برای عناصر ردیف اول

وقتی تمام جفت‌های تنها برای شما کشیده می‌شوند، محاسبه هزینه رسمی نسبتاً ساده است.

بیایید با اولین مثال در مسابقه زیر کار کنیم.

در یون هیدرونیوم (H3O) اتم مرکزی اکسیژن است که دارای 6 الکترون ظرفیت در اتم خنثی است.
اتم مرکزی دارای 2 الکترون جفت نشده و 3 پیوند است
بار رسمی اکسیژن [6 – 2 – 3 = +1 ] است که به ما H3O+ می دهد.

ببینید آیا می توانید بقیه نمونه های زیر را پر کنید.

اگر خوب پیش رفت، می‌توانید هزینه‌های رسمی را برای همه نمونه‌های این جدول پر کنید.

کمی طول می‌کشد تا به بار رسمی عادت کنید، اما پس از مدتی فرض می‌شود که نحوه محاسبه بار رسمی را می‌دانید، و می‌توانید ساختارهایی را تشخیص دهید که اتم‌ها در آن‌ها بار رسمی دارند.

بیایید به موارد کمی پیچیده تر بپردازیم.

3. محاسبات رسمی شارژ زمانی که تمام جزئیات به شما داده نمی شود

وقتی شکل چوبی از یک نفر می‌کشیم و در انگشتانش نمی‌کشیم، به این معنی نیست که داریم کسی را می‌کشیم که روز بدی را با اره رومیزی کار می‌کرد. ما فقط فرض می کنیم که اگر واقعاً نیاز داشتید می توانید انگشتانتان را پر کنید، اما فقط برای صرفه جویی در وقت از آن صرف نظر می کنید.

نقشه های خط شیمیایی مانند شکل های چوبی هستند. آنها بسیاری از جزئیات را حذف می کنند، اما همچنان تصور می کنند که شما می دانید که چیزهای خاصی وجود دارد.

با کربن، ما اغلب هیدروژن‌های کششی را حذف می‌کنیم. شما هنوز باید بدانید که آنها وجود دارند، و به مقدار لازم هیدروژن اضافه کنید تا یک اکتت کامل (یا سکست، اگر کربوکاتیون باشد) به دست آورید.
اگر یک جفت تنها یا یک الکترون جفت نشده روی کربن وجود داشته باشد، همیشه به داخل کشیده می شود.

یک نکته. اگر یک شکل چوبی بکشیم، و انگشتان را بکشیم، و فقط 3 انگشت را بکشیم، آنگاه می توانیم با خیال راحت فرض کنیم که آن شخص واقعاً فقط 3 انگشت دارد. بنابراین در دو مثال آخر در آن مسابقه، ما مجبور شدیم هیدروژن‌ها را ترسیم کنیم تا شما بدانید که این یک کربوکاتیون است، در غیر این صورت باید فرض کنید که یک هشت‌تای کامل دارد!

اکسیژن و نیتروژن (و

با هالوژن ها کمی متفاوت برخورد می شود.

پیوندهای هیدروژن همیشه به داخل کشیده می شوند.
جفت های تنها که اغلب حذف می شوند.
نیتروژن و اکسیژن همیشه اکتت کامل خواهند داشت. همیشه. [نکته 2 – خوب، دو استثنا]

بنابراین حتی زمانی که جفت‌های تنها کشیده نمی‌شوند، فرض کنید به اندازه کافی برای ایجاد یک هشت‌تایی کامل وجود دارد. و هنگامی که پیوندهای این اتم ها به هیدروژن وجود ندارد، این دقیقاً به این معنی است که به نظر می رسد: واقعاً هیچ هیدروژنی وجود ندارد!

این مثال ها را امتحان کنید:

حالا ببینید آیا می توانید این نمونه ها را کنار هم قرار دهید یا خیر!

(توجه داشته باشید که برخی از اینها مولکولهای پایداری نیستند، اما در عوض اشکال تشدیدی هستند که در نقاط مختلف در طول دوره با آنها مواجه خواهید شد!)

4. برخی از سوالات کلاسیک شارژ رسمی

ما می‌توانیم دقیقاً از همان فرمول بار رسمی، در بالا، همراه با قوانین مربوط به جفت‌های تنهای ضمنی و هیدروژن‌ها، استفاده کنیم تا بار رسمی اتم‌ها را در برخی از مولکول‌های بسیار عجیب و غریب مشخص کنیم.

در اینجا برخی از مشکلات شارژ رسمی کلاسیک آورده شده است.

توجه داشته باشید که اگرچه ساختارها ممکن است عجیب به نظر برسند، فرمول شارژ رسمی یکسان باقی می‌ماند.

فرمول شارژ رسمی حتی می‌تواند برای برخی از واسطه‌های واکنش‌پذیر نسبتاً عجیب و غریب که بعداً در ترم با آنها آشنا خواهیم شد، اعمال شود.

ناامید نشوید فقط الکترون ها و پیوندها را بشمارید، و این شما را به پاسخ درست می رساند.

5. اتهامات رسمی و فلش های منحنی

ما از فلش های منحنی برای نشان دادن حرکت جفت الکترون ها در واکنش ها و ساختارهای تشدید استفاده می کنیم. (به پست مراجعه کنید: فلش های منحنی برای واکنش ها)

برای مثال، در اینجا یک فلش منحنی است که واکنش یون هیدروکسید HO(-) را با یک پروتون (H+) نشان می دهد.

فلش حرکت دو الکترون از اکسیژن برای تشکیل یک پیوند O-H جدید را نشان می دهد.

فلش های منحنی همچنین برای پیگیری تغییرات در شارژ رسمی مفید هستند. توجه داشته باشید که بار رسمی در دم اولیه پیکان منحنی (اکسیژن) مثبت تر می شود (از 1- تا 0) و بار رسمی در دم نهایی (H+) منفی تر می شود (از 1+ تا 0).

وقتی اسید به آب اضافه می شود، یون هیدرونیوم H3O+ را تشکیل می دهیم.

اینجا یک مسابقه است. ببینید آیا می‌توانید فلش منحنی را که از یون هیدروکسید به H3O+ می‌رود، بکشید.

اگر آن را با موفقیت انجام دادید – تبریک می گویم!

اما من حاضرم شرط ببندم که حداقل درصد کمی از شما فلش را به سمت اکسیژن با بار مثبت کشیده اید.

چه اشکالی دارد؟

اوربیتال خالی روی اکسیژن وجود ندارد که بتواند جفت تنها را بپذیرد. اگر از منطق فلش‌های منحنی پیروی کنید، یک پیوند O–O جدید و 10 الکترون روی اکسیژن ایجاد می‌شود که قانون هشت‌گانه را زیر پا می‌گذارد.

ممکن است بگویید یک دقیقه صبر کنید. “فکر کردم اکسیژن بار مثبت دارد؟ اگر روی اکسیژن واکنش ندهد، قرار است کجا واکنش نشان دهد؟»

روی هیدروژن ها! بالاخره H3O+ اسید برونستد است. درست؟

این یک تصویر عالی از دلیل نامیدن آن «بار رسمی» است و اینکه چگونه بار رسمی با بار الکترواستاتیکی (معروف به «بارهای جزئی» یا «چگالی الکترون») یکسان نیست.

اتهام رسمی در نهایت یک فرمالیسم حسابداری است، کمی شبیه به اختصاص دادن “برد” به یکی از 5 پرتاب کننده در یک بازی بیسبال. [یادداشت 3] این واقعیت را در نظر نمی‌گیرد که الکترون‌های پیوند اکسیژن-هیدروژن به طور نابرابر با یک دوقطبی قابل‌توجه به اشتراک گذاشته می‌شوند.

بنابراین اگرچه ما یک بار «رسمی» روی اکسیژن رسم می‌کنیم، بارهای مثبت جزئی همه روی هیدروژن هستند. با وجود تحمل بار رسمی مثبت، بار الکترواستاتیکی تا حدی منفی را تحمل می کند.

به همین دلیل است که بازهایی مانند HO(-) در H واکنش نشان می دهند نه اکسیژن.

فقط برای تکرار:

بارهای مثبت روی اکسیژن و نیتروژن نشان دهنده یک اوربیتال خالی نیستند. فرض کنید که اکسیژن و نیتروژن دارای اکتت کامل هستند! [یادداشت 2]
در مقابل، بارهای مثبت روی کربن نشان دهنده اوربیتال های خالی است.
6. هالوژن ها

بارهای رسمی مثبت هالوژن ها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند.

ما اغلب می‌بینیم که یون‌های هالونیوم Cl+، Br+، و I+ را به‌عنوان گونه‌هایی با شش الکترون ظرفیت و یک مدار خالی ترسیم می‌کنیم (اما هرگز F+ – این یک جانور درنده است)

بد نیست تصور کنیم که این گونه ها دارای مداری خالی هستند زیرا بزرگ و نسبتاً قطبی پذیر هستند. آنها می توانند بار مثبت را روی حجم نسبتاً بزرگ خود توزیع کنند.

این گونه‌ها می‌توانند یک جفت الکترون تنها را از پایه لوئیس بپذیرند که در نتیجه یک اکتت کامل ایجاد می‌شود.

Cl، Br و I همچنین می توانند بارهای رسمی مثبت را در نتیجه پیوند به دو اتم تحمل کنند.

درک این نکته مهم است که در این موارد هالوژن دارای یک اکتت کامل است و نه یک مدار خالی. بنابراین آنها مستقیماً یک جفت الکترون از بازهای لوئیس را نمی پذیرند. اغلب اتفاق می افتد که اتم مجاور هالوژن الکترون ها را می پذیرد.

7. نتیجه گیری

اگر به پایان رسیده اید و تمام آزمون ها را انجام داده اید، باید برای تمام نمونه های شارژ رسمی که در بقیه دوره می بینید به خوبی آماده باشید.

شارژ رسمی را می توان با استفاده از فرمول FC = VE – NBE – B محاسبه کرد
نقشه های خطی اغلب جفت های تنها و پیوندهای C-H را حذف می کنند. هنگام محاسبه هزینه های رسمی نسبت به این شرایط هوشیار باشید.
کربن با بار مثبت دارای یک اوربیتال خالی است، اما فرض کنید که نیتروژن و اکسیژن با بار مثبت دارای اکتت کامل هستند.

س
مثال یون هیدرونیوم H3O+ خطرات تکیه بر بار رسمی برای درک واکنش پذیری را نشان می دهد. به تفاوت های الکترونگاتیوی بین اتم ها دقت کنید و دوقطبی ها را بیرون بکشید تا حس واقعی واکنش پذیری آنها را به دست آورید.
یادداشت

مقالات مرتبط

توجه 1. استفاده از “الکترون های ظرفیت” پاسخ درست را به شما می دهد. اما اگر به آن فکر کنید، کاملاً منطقی نیست. بارهای مثبت از کجا می آیند؟ البته از پروتون های دارای بار مثبت در هسته!

بنابراین بخش «الکترون‌های ظرفیت» این معادله به‌عنوان نماینده‌ای برای پروتون‌های ظرفیت در نظر گرفته می‌شود – که راه دیگری برای گفتن «بار هسته‌ای مؤثر» است. باری که هر الکترون ظرفیتی از هسته احساس می کند، بدون احتساب لایه های داخلی پر شده.

نکته 2. نیترن ها استثنا هستند. استثنای دیگر زمانی است که می‌خواهیم فرم‌های رزونانس بد ترسیم کنیم.

[F1-نیترن ها و اشکال رزونانس بد]

نکته 3. در بیسبال، هر بازی یک برد یا باخت برای تیم به همراه دارد. در دوران «هوس رادبورن قدیمی»، جایی که بازی‌های کامل معمول بود، یک بسط منطقی این امر، اختصاص دادن برد به بازیکن انفرادی بود. در عصر امروزی، با وجود پارچ های متعدد، قوانینی برای تعیین اینکه کدام پارچ به عنوان برنده شناخته می شود، وجود دارد. بسیار ممکن است که یک پارچ به طور کامل بر روی تپه گلوله بخورد و در عین حال، در شرایط اتفاقی، همچنان برای برد شناخته شود. پست را ببینید: شاید آنها باید آنها را “برنده رسمی” خطاب کنند؟

به همین ترتیب، اکسیژن برای بار 1+ بر روی یون هیدرونیوم، H3O+، اعتبار فردی داده می‌شود، حتی اگر بار الکتریکی مثبت واقعی بین هیدروژن‌ها توزیع شود.

توجه 4. این تصویر از تجسم قبلی این پست برخی از روابط را برای هندسه ترکیبات مختلف عناصر ردیف اول نشان می دهد.

خودت امتحان کن
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر

منابع