有關formal charge

Question

我在書上看到:
As a final note, there are a couple of cautions about formal charge to
keep in mind.
First,although formal charges are closer to actual atomic charges in
molecules than are oxidation state,formal charge still provide only
estimates of charge-they should not be taken as acyual atomic charges.
Second, the evaluation of Lewis structures using formal charge ideas can
lead to erroneous predictions.Tests based on experiment must be used to make the final decisions on the correct description of bonding in a
molecules or polyatomic ion.

所以我有以下問題:
1.什麼叫做provide only estimates of charge.如果說formal charge只是看價電子偏移的情形,那電子只要偏過去,不就代表那邊電子多,為什麼不能代表真正的電荷?

2.這句話formal charge ideas can lead to erroneous predictions.如果說用
formal charge 會預測錯誤,那為什麼還要用,我怎麼會知道我所寫的結構式是正確的(除了作實驗以外,在平常判斷時)

3.舉例來說:SO4^2-的結構式,不是應該S以4個單鍵(其中2個是配位)接O嗎?(算出來S=+2 O=-1)
但如果你以2個單鍵+2個雙鍵分別接O所算出來的formal charge 會越穩定(S=0 O=-1(2個O))
為什麼會這樣?

另一個例子是:XeO3他到底是長什麼樣子?

我想說的是,在高中,所教我們畫的SO4^2-示以4個單鍵(其中2個是配位)接O的方式畫,但我現在所看的普畫課本卻說2個單鍵 2個雙鍵分別接O所形成的結構較穩定,那高中所教的是錯誤的嗎??

Answer 1

Formal charge = 價電子數(週期表族數) – 沒鍵結電子 – 共價鍵數目
Formal charge = 最外層電子數 -沒鍵結電子 - 共價鍵數目電子數/2
Formal charge 可用以幫助Lewis結構的判定
如果有多個結構的可能性 則以formal charge是0的為較可能的結構
如果分子上有正負 負電荷有較需電陰性的原子上
所以在一般狀況formal charge 有助於幫助判斷Lewis structure 如何畫及正負荷在分子上那一原素上
但是如上文所述 formal charge不能用以判定所有的狀況 尤其是formal charge 不是與氧化數相等 甚至於不一定與真實電荷一樣
您舉的例子正好是以上特別狀況
Sulfate ion SO42-
硫可用空的d軌域Expanded orbital 與別的原素鍵結
Sulfate ion有兩個狀況
硫最外層有6個電子
氧最外層有6個電子
所以硫可與4個氧有可能以兩種型態存在
(A) 硫分享4顆電子與兩個氧以雙鍵結合 另外2顆電子與兩個氧單鍵結合
http://nicholnl.wcp.muohio.edu/ChemistrySociety/Spring2004/SulfateIon.gifhttp://nicholnl.wcp.muohio.edu/ChemistrySociety/Spring2004/SulfateIon.gif
Formal charge of Sulfur:
6 – 0 – 6 = 0
Formal charge of 以雙鍵結合的Oxygen:
6 – 4 – 2 = 0
Formal charge of 以單鍵結合的Oxygen:
6 – 6 -1 = -1
所以硫的 formal charge 是0
而有兩個氧的 formal charge 是0; 另兩個氧的 formal charge 是-1
因此 SO42- 離子的負電荷在兩個氧上
(B) 硫分享4顆電子與4個氧以單鍵結合
http://www.madsci.org/posts/archives/jan2000/949098457.Ch.13.gif
Formal charge of Sulfur:
6 – 0 – 4 = +2
Formal charge of oxygen:
6 – 6 – 1 = -1
所以硫的 formal charge 是+2
而有4個氧的 formal charge 是 -1
因此 SO42- 離子的負電荷在4個氧上 而硫則為+2 所以淨電荷為-2
以上兩者比較 (A) 比較對 因(B)在同一分子中有正負 separated of charge 會使分子不穩定
當然這真正的狀況都不是以上的狀況 因有共振結構resonance存在 所以每一個硫氧鍵都有可能是以單鏈/雙鍵同時存在

圖片參考：http://www.madsci.org/posts/archives/jan2000/949098457.Ch.12.gif

http://www.madsci.org/posts/archives/jan2000/949098457.Ch.12.gif
XeO3
Xe最外層有8個電子
氧最外層有6個電子
所以Xe可與3個氧有可能以兩種型態存在
(A) Xe分享6顆電子與3個氧以雙鍵結合
Formal charge of Xe:
8 – 2 – 6 = 0
Formal charge of 以雙鍵結合的Oxygen:
6 – 4 – 2 = 0
所以Xe的 formal charge 是0
而3個氧的 formal charge 是0;
電荷與XeO3相符
http://chemistry.tjc.edu/1411ch9/img046.jpg
(B) Xe分享6顆電子與3個氧以單鍵結合
Formal charge of Xe:
8 – 2 – 3 = +3
Formal charge of 以單鍵結合的Oxygen:
6 – 6 – 1 = -1
所以Xe的 formal charge 是+3
而3個氧的 formal charge 是 -1;
http://chemistry.tjc.edu/1411ch9/img045.jpg
電荷與XeO3相符
以上兩者比較 (A) 比較對 因(B)在同一分子中有正負 separated of charge 會使分子不穩定
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f6/Xenon-trioxide-2D.png/800px-Xenon-trioxide-2D.png

2006-12-29 16:36:52 補充：
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