Carga Formal

Explicación de la carga formal y sus propiedades

Empecemos por definir la carga formal.

La carga formal ignora el concepto de electronegatividad. Que es la tendencia de un átomo/molécula a atraer y compartir electrones de forma desigual. Por ejemplo, el flúor es muy electronegativo, mientras que el hidrógeno lo es menos, por lo que los electrones del enlace H-F tenderán hacia el flúor.

Aquí tienes algunas cosas que debes recordar sobre la carga formal:

1) A cada átomo se le puede asignar una carga formal

2) Si hay múltiplos de un mismo elemento, pueden tener cargas formales diferentes

3) La carga formal depende de:

-El número de enlaces

-El número de electrones apareados y no apareados

4) Las cargas formales se asignan en función de las estructuras de Lewis (estructura 2D)

Cuando dibujamos una estructura de Lewis, queremos que cada elemento tenga 8 electrones de valencia en total .

Podemos desplazar los enlaces y los pares solitarios, siempre que nos aseguremos de que cada elemento tiene su capa de valencia llena. Así que aquí está el problema, ¿cómo sabemos cuántos enlaces/pares solitarios debemos tener? Aquí es donde entra en juego la carga formal.

La carga formal nos ayuda a determinar la estructura ideal Lewis de una molécula. Lo ideal es que todos los átomos tengan una CF de 0. Esto se debe a que tener una carga neutra tiene menor energía, por lo que es el estado más estable. He aquí un ejemplo. Supongamos que quieres dibujar la estructura de Lewis del dióxido de carbono, así que dibuja las dos estructuras posibles como se muestra a continuación:

Fig.1-Posibles estructuras de Lewis para el_CO2

Antes de hablar de la carga formal, hagamos un breve repaso de las estructuras de Lewis.

Las líneas trazadas entre los elementos representan un enlace, que contiene dos electrones cada uno. En el ejemplo 1, verás que el enlace C=O es un enlace doble, lo que significa que contiene 4 electrones.

Los "puntos" cerca de nuestros átomos representan pares solitarios .

Como he dicho antes, podemos cambiar el número de enlaces y pares solitarios para que cada elemento tenga un octeto completo. La forma de determinar este número es hallando primero la carga formal.

Volvamos a nuestro ejemplo. Veamos la carga formal: 1) Carbono: 0 Oxígeno: 0 2) Carbono: 0 Oxígeno (simple): -1 Oxígeno (triple): +1

Aunque ambas tienen una CF neta de 0, la primera estructura es la mejor opción, ya que minimiza la CF de cada átomo.En la sección "Cálculo de la carga formal", repasaremos cómo he obtenido estas cargas formales.

Fórmula y ecuación de la carga formal

Ahora que sabemos lo que es una carga formal, aprendamos a calcularla. He aquí la fórmula general:

$$FC=(\text{número de electrones de valencia})-(\text{número de electrones de pares solitarios})-(\text{número de enlaces})$$

Podemos consultar la estructura de Lewis para determinar el número de enlaces/electrones de par solitario, pero para calcular el número de electrones de valencia, tenemos que consultar la tabla periódica.

Fig.2-La tabla periódica

Para los metales que no son de transición, se cuenta de izquierda a derecha, saltándose los metales de transición. Por ejemplo, el flúor tiene 7 transversales, por lo que tiene 7 electrones de valencia. La principal excepción es el helio (He), que tiene 2 electrones de valencia.Para los metales de transición, también se cuenta de izquierda a derecha. Por ejemplo, el vanadio (V) tiene 5, por lo que tiene 5 electrones de valencia.

Cálculo de la carga formal

Utilicemos nuestro ejemplo de antes para saber cómo hemos obtenido esas cargas formales:

Intentemos otro problema:

Añadir cargas formales a las formas de resonancia

A veces, cuando dibujamos estructuras de Lewis, podemos encontrarnos con estructuras de resonancia.

Cuando las estructuras de resonancia tienen cargas formales diferentes, podemos utilizar dicha CF para determinar la "mejor" estructura. Cuando observamos el_CO2 (Figura 3), estábamos observando sus distintas formas de resonancia, que tenían cargas formales diferentes. La estructura "correcta" es una media de las tres formas posibles (la tercera forma es simplemente que el triple enlace está en el oxígeno opuesto, por lo que es esencialmente igual a la segunda).

Cuando observamos estructuras de resonancia con la misma carga formal, ninguna de las opciones es la "mejor". Como ejemplo, aquí tienes las tres formas de resonancia del ^CO32-

Fig.5-Formas de resonancia del ion carbonato

Como el enlace es básicamente el mismo, también lo es la carga formal. La forma "verdadera" del carbonato es una media de las tres formas, donde hay un enlace de 1 1/3 entre cada oxígeno y carbono.

Importancia de la carga formal

La carga formal es importante por varias razones. Como hemos dicho antes, es útil para determinar la mejor estructura de Lewis tanto para las formas resonantes como para las no resonantes.

Otra razón por la que es importante es la reactividad. Calculando la carga formal, podemos determinar dónde se encuentran las cargas (si las hay) dentro de la molécula. Esto nos ayuda a comprender/predecir el tipo de reactividad que tendrá la molécula. Por ejemplo, el oxígeno derecho de la estructura (correcta) _NO2 (ver Figura 4) tiene una carga -1, por lo que puede atraer átomos/moléculas con carga positiva y/o donar electrones. Sin saber dónde está la carga, no podemos comprender plenamente la reactividad de una molécula.