O carga formal (CF) é aquele que é atribuído a um átomo de uma molécula ou íon, o que permite explicar suas estruturas e propriedades químicas a partir dele. Este conceito implica a consideração do caráter máximo de covalência na ligação A-B; ou seja, o par de elétrons é compartilhado igualmente entre A e B.
Para compreender o que precede, a imagem inferior mostra dois átomos ligados: um designado pela letra A e o outro pela letra B. Como pode ser visto, na intercepção dos círculos forma-se uma ligação com o par ":". Nesta molécula heteronuclear, se A e B têm eletronegatividades iguais, o par ":" permanece equidistante de A e B.
No entanto, como dois átomos diferentes não podem ter propriedades idênticas, o par ":" é atraído pelo que é mais eletronegativo. Neste caso, se A é mais eletronegativo do que B, o par ":" está mais próximo de A do que de B. O oposto ocorre quando B é mais eletronegativo do que A, agora se aproximando de ":" de B.
Assim, para atribuir as cargas formais a A e B, é necessário considerar o primeiro caso (o que está acima da imagem). Se a ligação puramente covalente A-B fosse quebrada, uma ruptura homolítica ocorreria, gerando os radicais livres A · e · B.
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Os elétrons não são fixos, como no exemplo anterior, mas viajam e se perdem através dos átomos da molécula ou íon. Se for uma molécula diatômica, sabe-se que o par ":" deve ser compartilhado ou vagando entre os dois átomos; o mesmo acontece em uma molécula do tipo A-B-C, mas com maior complexidade.
No entanto, ao estudar um átomo e assumir uma covalência de cem por cento em suas ligações, é mais fácil estabelecer se ele ganha ou perde elétrons dentro do composto. Para determinar esse ganho ou perda, sua linha de base ou estado livre deve ser comparado ao seu ambiente eletrônico..
Desta forma, é possível atribuir uma carga positiva (+) se o átomo perder um elétron, ou uma carga negativa (-) quando, ao contrário, ganhar um elétron (os sinais devem ser escritos dentro de um círculo).
Assim, embora os elétrons não possam ser localizados exatamente, essas cargas formais (+) e (-) nas estruturas se conformam na maioria dos casos às propriedades químicas esperadas..
Ou seja, a carga formal de um átomo está intimamente relacionada à geometria molecular de seu ambiente e sua reatividade dentro do composto..
Os encargos formais são atribuídos arbitrariamente? A resposta é não. Para isso, o ganho ou perda de elétrons deve ser calculado assumindo ligações puramente covalentes, e isso é obtido por meio da seguinte fórmula:
CF = (número do grupo do átomo) - (número de ligações que ele forma) - (número de elétrons não compartilhados)
Se o átomo tem um CF com valor +1, é atribuída uma carga positiva (+); enquanto que, se você tiver um CF com valor -1, será atribuída uma carga negativa (-).
Para calcular corretamente o CF, as seguintes etapas devem ser seguidas:
- Localize em qual grupo o átomo se encontra na tabela periódica.
- Conte o número de ligações que ele forma com seus vizinhos: ligações duplas (=) valem dois e ligações triplas valem três (≡).
- Finalmente, conte o número de elétrons não compartilhados, que podem ser facilmente observados com estruturas de Lewis.
Dada a molécula linear A-B-C-D, as cargas formais para cada átomo podem variar se a estrutura, por exemplo, agora é escrita como: B-C-A-D, C-A-B-D, A-C-D-B, etc. Isso ocorre porque há átomos que, ao compartilhar mais elétrons (formando mais ligações), adquirem CF positivo ou negativo.
Então, qual das três estruturas moleculares possíveis corresponde ao composto ABCD? A resposta é: aquele que geralmente apresenta os menores valores de CF; da mesma forma, aquele que atribui cargas negativas (-) aos átomos mais eletronegativos.
Se C e D são mais eletronegativos do que A e B, então, ao compartilhar mais elétrons, eles consequentemente adquirem cargas positivas formais (visto a partir de uma regra mnemônica).
Assim, a estrutura mais estável, e energeticamente mais favorecida, é C-A-B-D, uma vez que nesta ambos C e B formam apenas uma ligação. Por outro lado, a estrutura A-B-C-D e aquelas que têm C ou B formando duas ligações (-C- ou -D-), são mais instáveis.
Qual de todas as estruturas é a mais instável? A-C-D-B, porque não apenas C e D formam duas ligações, mas também suas cargas negativas formais (-) são adjacentes, desestabilizando ainda mais a estrutura.
O átomo de boro é rodeado por quatro átomos de flúor. Como B pertence ao grupo IIIA (13), ele não possui elétrons não compartilhados e forma quatro ligações covalentes, seu CF é (3-4-0 = -1). Por outro lado, para F, um elemento do grupo VIIA (17), seu CF é (7-6-1 = 0).
Para determinar a carga do íon ou molécula, basta adicionar o CF individual dos átomos que o compõem: (1 (-1) + 4 (0) = -1).
No entanto, o CF para B não tem significado real; ou seja, a maior densidade de elétrons não reside nele. Na realidade, essa densidade de elétrons é distribuída em direção aos quatro átomos de F, um elemento muito mais eletronegativo do que B.
O átomo de berílio pertence ao grupo IIA (2), forma duas ligações e não possui, novamente, elétrons não compartilhados. Assim, os CFs para Be e H são:
CFSer= 2-2-0 = 0
CFH= 1-1-0 = 0
Carga BeHdois= 1 (0) + 2 (0) = 0
Sua estrutura de Lewis pode ser representada como: C≡O: (embora tenha outras estruturas de ressonância). Repetindo o cálculo de CF, desta vez para C (do grupo IVA) e O (do grupo VIA), temos:
CFC= 4-3-2 = -1
CFOU= 6-3-2 = +1
Este é um exemplo em que as cobranças formais não estão de acordo com a natureza dos elementos. O é mais eletronegativo do que C e, portanto, não deve carregar um positivo.
As outras estruturas (C = O e (+)CO(-)), embora cumpram a atribuição coerente de cargas, eles não cumprem a regra do octeto (C tem menos de oito elétrons de valência).
quanto mais elétrons N compartilham, mais positivo é seu CF (até mesmo o íon amônio, já que não tem disponibilidade de energia para formar cinco ligações).
Aplicando igualmente os cálculos para N no íon amônio, amônia e íon amida, temos então:
CF = 5-4-0 = +1 (NH4+)
CF = 5-3-2 = 0 (NH3)
E finalmente:
CF = 5-2-4 = -1 (NHdois-)
Ou seja, no NHdois- N tem quatro elétrons não compartilhados e compartilha todos eles quando forma NH4+. O CF para o H é igual a 0 e, portanto, seu cálculo é salvo.
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