Alors, comment savoir si un atome est neutre à l'intérieur d'une molécule ? Nous utilisons un concept appelé charge formelle. Dans cet article, nous allons tout apprendre sur la charge formelle : ce que c'est, comment la calculer et pourquoi elle est importante.
- Cet article couvre le sujet de la charge formelle
- Tout d'abord, nous définirons ce qu'est la charge formelle
- Ensuite, nous apprendrons à calculer la charge formelle et à résoudre quelques problèmes pratiques.
- Ensuite, nous découvrirons les formes de résonance et leur lien avec la charge formelle.
- Enfin, nous rappellerons pourquoi la charge formelle est si importante.
Explication de la charge formelle et de ses propriétés
Commençons par définir la charge formelle.
La charge formelle(CF) est la charge attribuée à un atome dans une molécule lorsque nous supposons que les électrons dans toutes les liaisons sont partagés également entre les atomes.
La charge formelle ignore le concept d'électronégativité. Il s'agit de la tendance d'un atome ou d'une molécule à attirer et à partager les électrons de manière inégale. Par exemple, le fluor est très électronégatif, alors que l'hydrogène l'est moins ; les électrons de la liaison H-F tendront donc vers le fluor.
Voici quelques points à retenir au sujet de la charge formelle :
1) Chaque atome peut se voir attribuer une charge formelle.
2) S'il y a des multiples d'un même élément, ils peuvent avoir des charges formelles différentes.
3) La charge formelle dépend de :
-du nombre de liaisons
-Le nombre d'électrons appariés et non appariés
4) Les charges formelles sont attribuées en fonction des structures de Lewis (structure 2D).
Lorsque nous dessinons une structure de Lewis, nous voulons que chaque élément ait 8 électrons de valence au total.
Les électronsde valence sont les électrons qui existent dans le niveau/la coquille d'énergie le plus élevé. Ce sont les électrons qui participent à la liaison. Les atomes veulent avoir 8 électrons de valence au total (sauf H et He, qui en veulent 2), car ils auraient alors une coquille remplie et une énergie neutre/faible.
Nous pouvons déplacer les liaisons et les paires solitaires, tant que nous nous assurons que chaque élément a sa coquille de valence remplie. Voici donc le problème : comment savoir combien de liaisons et de paires solitaires nous devrions avoir ? C'est là que la charge formelle entre en jeu.
La charge formelle nous aide à déterminer la structure de Lewis idéale d'une molécule. Idéalement, nous voulons que chaque atome ait une charge formelle de 0. Cela s'explique par le fait qu'une charge neutre a une énergie plus faible, c'est donc l'état le plus stable. Voici un exemple. Supposons que tu veuilles dessiner la structure de Lewis du dioxyde de carbone, tu dessineras les deux structures possibles comme indiqué ci-dessous :
Fig.1 - Structures de Lewis possibles pour leCO2
Avant de parler de la charge formelle, faisons un bref rappel sur les structures de Lewis.
Les lignes tracées entre les éléments représentent une liaison, qui contient deux électrons chacune. Dans l'exemple 1, tu verras que la liaison C=O est une liaison double, c'est-à-dire qu'elle contient 4 électrons.
Les "points" près de nos atomes représentent des paires solitaires.
Lespaires solitaires sont un ensemble d'électrons de valence qui ne participent pas à la liaison. C'est pourquoi on les appelle aussi des électrons non liants .
Comme je l'ai mentionné précédemment, nous pouvons modifier le nombre de liaisons et de paires solitaires pour que chaque élément ait un octet complet. Pour déterminer ce nombre, il faut d'abord trouver la charge formelle.
Revenons à notre exemple. Examinons la charge formelle : 1) Carbone : 0 Oxygène : 0 2) Carbone : 0 Oxygène (simple) : -1 Oxygène (triple) : +1
Même si les deux ont une charge formelle nette de 0, la première structure est la meilleure option car elle minimise la charge formelle pour chaque atome.Dans la section "Calcul de la charge formelle", nous verrons comment j'ai obtenu ces charges formelles.
Formule et équation de la charge formelle
Maintenant que nous savons ce qu'est une charge formelle, apprenons à la calculer. Voici la formule générale :
$$FC=(\text{nombre d'électrons de valence})-(\text{nombre d'électrons solitaires})-(\text{nombre de liaisons})$$$.
Nous pouvons consulter la structure de Lewis pour déterminer le nombre de liaisons/électrons de paires solitaires, mais pour calculer le nombre d'électrons de valence, nous devons consulter le tableau périodique.
Fig.2 - Le tableau périodique
Pour les métaux qui ne sont pas des métaux de transition, tu comptes de gauche à droite, en sautant les métaux de transition. Par exemple, le fluor est 7 en travers, il a donc 7 électrons de valence. La principale exception à cette règle est l'hélium (He), qui possède 2 électrons de valence.Pour les métaux de transition, tu comptes également de gauche à droite. Par exemple, le vanadium (V) a un diamètre de 5, ce qui signifie qu'il a 5 électrons de valence.
Calculer la charge formelle
Reprenons l'exemple précédent pour apprendre comment nous avons obtenu ces charges formelles :
D'après le diagramme ci-dessous, quelles sont les charges formelles pour chaque structure de Lewis possible ?
Fig.3 - Nous utilisons les structures de Lewis pour calculer la charge formelle
Commençons par la première structure :
En comptant de gauche à droite, le carbone se trouve dans la 4e colonne du tableau périodique. Cela signifie qu'il possède 4 électrons de valence. Le carbone est lié par une double liaison à chaque oxygène, il a donc 4 liaisons au total. Cela signifie que :
$$FC=(\text{nombre d'électrons de valence})-(\text{nombre d'électrons solitaires})-(\text{nombre de liaisons})$$$.
$$FC=(4)-(0)-(4)=0$$$
Passons maintenant à l'oxygène. L'oxygène se trouve dans la 6e colonne, il a donc 6 électrons de valence. Il est lié au carbone par une double liaison, ce qui fait qu'il a deux liaisons au total. Il possède également 2 paires solitaires (4 électrons au total).
$$FC=(\text{nombre d'électrons de valence})-(\text{nombre d'électrons de paires solitaires})-(\text{nombre de liaisons})$$$.
$$FC=(6)-(4)-(2)=0$$$
Passons maintenant à la deuxième structure :
$$FC=(4)-(0)-(4)=0$$.
Pour l'oxygène à une seule liaison :
$$FC=(6)-(6)-(1)=-1$$
Pour l'oxygène à triple liaison :
$$FC=(6)-(2)-(3)=+1$$
Essayons de résoudre un autre problème :
Étant donné les structures ci-dessous, quelle est la structure la plus probable ?
Fig.4 Sachant qu'un composé possède 2 oxygènes et 1 azote, nous avons dessiné deux structures possibles.
La première chose que tu remarqueras probablement, c'est que cette molécule a une charge (-1). Cela signifie que la somme des charges formelles doit être égale à -1.
Commençons par la première structure :
Pour l'azote : L'azote se trouve dans la 5e colonne, il a donc 5 électrons de valence.
$$FC=5-4-2=-1$$
Pour l'oxygène central :
$$FC=6-2-3=1$$
Pour l'oxygène de droite :
$$FC=6-6-1=-1$$
Passons maintenant à la deuxième structure :
Pour l'azote :
$$FC=5-2-3=0$$$
Pour l'oxygène gauche :
$$FC=6-4-2=0$$$
Pour l'oxygène droit :
$$6-6-1=-1$$
La structure correcte est la deuxième option, car elle minimise la charge formelle tout en conservant la charge nette de la molécule, -1.
Ajout de charges formelles aux formes de résonance
Lorsque nous dessinons des structures de Lewis, nous rencontrons parfois des structures de résonance .
Lorsqu'il est possible d'écrire deux structures de Lewis ou plus avec la même disposition des atomes et le même nombre d'électrons, on parle de structures/formes de résonance. En réalité, la structure réelle est une moyenne des différentes structures de Lewis possibles.
Les molécules ayant les mêmes atomes peuvent avoir des orientations différentes avec des charges différentes, mais ce ne sont pas des structures de résonance. Par exemple :CO2 et CO2- sont semblables, mais comme ils ont un nombre différent d'électrons, ce ne sont pas des structures de résonance l'une de l'autre
Lorsque les structures de résonance ont des charges formelles différentes, nous pouvons utiliser ladite FC pour déterminer la "meilleure" structure. Lorsque nous avons étudié leCO2 (figure 3), nous avons examiné ses différentes formes de résonance, qui avaient des charges formelles différentes. La structure "correcte" est une moyenne des trois formes possibles (la troisième forme est simplement la triple liaison qui se trouve sur l'oxygène opposé, elle est donc essentiellement la même que la deuxième).
Lorsque nous examinons les structures de résonance avec la même charge formelle, aucune des options n'est la "meilleure". À titre d'exemple, voici les trois formes de résonance de CO32-
Fig.5 - Formes de résonance de l'ion carbonate
Comme la liaison est fondamentalement la même, la charge formelle l'est aussi. La "vraie" forme de carbonate est une moyenne des trois formes, où il y a une liaison de 1 1/3 entre chaque oxygène et chaque carbone.
Importance de la charge formelle
La charge formelle est importante pour plusieurs raisons. Comme nous l'avons vu précédemment, elle permet de déterminer la meilleure structure de Lewis pour les formes résonantes et non résonantes.
Une autre raison pour laquelle elle est importante est la réactivité. En calculant la charge formelle, nous pouvons déterminer où se trouvent les charges (s'il y en a) dans la molécule. Cela nous aide à comprendre/prédire le type de réactivité de la molécule. Par exemple, l'oxygène de droite dans la structure (correcte) du NO2 (voir figure 4) a une charge de -1, il peut donc attirer des atomes/molécules chargés positivement et/ou donner des électrons. Sans savoir où se trouve la charge, nous ne pouvons pas comprendre pleinement la réactivité d'une molécule.
Nous écrivons souvent la charge formelle d'un atome en dessous de lui, pour que nous puissions voir comment il réagira !
Charge formelle - Points clés
- La charge formelle(CF) est la charge attribuée à un atome ou à une molécule lorsque nous supposons que les électrons de toutes les liaisons sont partagés de manière égale entre les atomes.
- Les structures dont la charge formelle est égale à 0 pour tous les atomes ont l'énergie la plus faible.
- Les électrons de valence sont les électrons qui existent dans le niveau d'énergie le plus élevé. Ce sont les électrons qui participent à la liaison. Pour les métaux qui ne sont pas des métaux de transition (à l'exception de H qui en a 2), le nombre d'électrons de valence est égal au nombre de cases du tableau périodique lorsque tu sautes les métaux de transition.
- Les paires solitaires sont un ensemble d'électrons de valence qui ne participent pas à la liaison. C'est pourquoi on les appelle aussi électrons non liants .
- La formule de la charge formelle est la suivante : $$FC=(\text{nombre d'électrons de valence})-(\text{nombre d'électrons de paires solitaires})-(\text{nombre de liaisons})$$.
- La charge formelle est utilisée pour déterminer la meilleure structure de Lewis pour une molécule. Elle est également importante pour prédire/comprendre la réactivité d'une molécule.
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