Điện tích hình thức (Formal charge)

Điện tích hình thức là điện tích được gán cho một nguyên tử trong một phân tử hoặc ion, giả sử rằng các electron trong tất cả các liên kết hóa học được chia đều giữa các nguyên tử, bất kể độ âm điện của chúng. Nó khác với điện tích thực tế của nguyên tử. Điện tích hình thức được sử dụng để ước tính sự phân bố điện tích trong một phân tử và giúp xác định cấu trúc Lewis ổn định nhất. Một cấu trúc Lewis với các điện tích hình thức gần bằng không thường được coi là ổn định hơn.

Cách tính điện tích hình thức

Điện tích hình thức của một nguyên tử được tính bằng công thức sau:

$FC = V – N – \frac{B}{2}$

Trong đó:

$FC$: Điện tích hình thức
$V$: Số electron hóa trị của nguyên tử tự do (số electron ở lớp ngoài cùng)
$N$: Số electron không liên kết (electron tự do, không tham gia liên kết) của nguyên tử trong phân tử
$B$: Số electron liên kết (electron tham gia liên kết hóa học) của nguyên tử trong phân tử

Ví dụ, trong phân tử CO₂, nguyên tử cacbon (C) có 4 electron hóa trị, không có electron không liên kết và tham gia vào 4 liên kết (8 electron liên kết). Do đó, điện tích hình thức của C là: FC = 4 – 0 – (8/2) = 0. Nguyên tử oxy (O) có 6 electron hóa trị, 4 electron không liên kết và tham gia vào 2 liên kết (4 electron liên kết). Điện tích hình thức của O là: FC = 6 – 4 – (4/2) = 0.

Ví dụ

Xét phân tử CO₂. Cấu trúc Lewis ổn định nhất của CO₂ là O=C=O.

Đối với nguyên tử Carbon (C):
- $V_C = 4$ (Carbon thuộc nhóm IVA, có 4 electron hóa trị)
- $N_C = 0$ (Không có electron tự do trên Carbon)
- $B_C = 8$ (4 liên kết, mỗi liên kết có 2 electron)
- $FC_C = 4 – 0 – \frac{8}{2} = 0$
Đối với mỗi nguyên tử Oxy (O):
- $V_O = 6$ (Oxy thuộc nhóm VIA, có 6 electron hóa trị)
- $N_O = 4$ (2 cặp electron tự do)
- $B_O = 4$ (2 liên kết, mỗi liên kết có 2 electron)
- $FC_O = 6 – 4 – \frac{4}{2} = 0$

Vậy, điện tích hình thức của C và O trong CO₂ đều bằng 0.

Ý nghĩa của điện tích hình thức

Cấu trúc Lewis ổn định nhất: Cấu trúc Lewis có tổng điện tích hình thức gần bằng 0, và các nguyên tử có điện tích hình thức nhỏ nhất (gần 0) thường là cấu trúc ổn định nhất.
Phân bố điện tích: Điện tích hình thức cho ta một cái nhìn về sự phân bố điện tích trong phân tử. Nguyên tử mang điện tích hình thức âm thường tập trung nhiều electron hơn, trong khi nguyên tử mang điện tích hình thức dương thường thiếu electron.
Dự đoán tính chất hóa học: Điện tích hình thức có thể giúp dự đoán về vị trí phản ứng trong phân tử. Vị trí mang điện tích âm thường là vị trí tấn công của các tác nhân electrophile (ưa electron), trong khi vị trí mang điện tích dương thường là vị trí tấn công của các tác nhân nucleophile (ưa nhân).

Lưu ý

Điện tích hình thức chỉ là một công cụ để ước lượng sự phân bố điện tích và không phản ánh chính xác điện tích thực tế của nguyên tử trong phân tử. Độ âm điện của các nguyên tử cũng ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích thực tế, điều mà điện tích hình thức chưa tính đến. Việc xem xét cả điện tích hình thức và độ âm điện sẽ giúp đưa ra dự đoán chính xác hơn về tính chất hóa học của phân tử.

Ứng dụng của điện tích hình thức

Ngoài việc xác định cấu trúc Lewis ổn định nhất, điện tích hình thức còn có một số ứng dụng quan trọng khác trong hóa học:

Dự đoán tính chất phản ứng: Điện tích hình thức có thể giúp dự đoán vị trí phản ứng trong phân tử. Ví dụ, nguyên tử mang điện tích hình thức âm có xu hướng hoạt động như một nucleophile (chất ưa nhân), tấn công các trung tâm điện tích dương. Ngược lại, nguyên tử mang điện tích hình thức dương có xu hướng hoạt động như một electrophile (chất ưa electron), tấn công các trung tâm điện tích âm.
Phân tích sự cộng hưởng: Trong các phân tử có liên kết pi delocalized, điện tích hình thức giúp phân tích sự đóng góp của các cấu trúc cộng hưởng khác nhau. Cấu trúc cộng hưởng với điện tích hình thức gần bằng không trên các nguyên tử và phân bố điện tích hợp lý thường đóng góp nhiều hơn vào trạng thái lai cộng hưởng.
Xác định tính axit-bazơ: Điện tích hình thức có thể hỗ trợ trong việc xác định tính axit-bazơ của một phân tử. Ví dụ, trong các oxyaxit, nguyên tử oxy mang điện tích hình thức âm càng lớn thì tính axit của phân tử càng mạnh.

Hạn chế của điện tích hình thức

Mặc dù hữu ích, điện tích hình thức cũng có một số hạn chế:

Giả định chia đều electron: Điện tích hình thức giả định rằng các electron liên kết được chia đều giữa các nguyên tử, điều này không hoàn toàn chính xác, đặc biệt là trong các liên kết giữa các nguyên tử có độ âm điện khác nhau.
Không phản ánh điện tích thực tế: Điện tích hình thức chỉ là một đại lượng hình thức và không phản ánh chính xác điện tích thực tế của nguyên tử trong phân tử. Điện tích thực tế phụ thuộc vào sự phân bố electron thực tế, được xác định bởi độ âm điện và các yếu tố khác.
Chỉ là một công cụ hỗ trợ: Điện tích hình thức chỉ nên được coi là một công cụ hỗ trợ trong việc phân tích cấu trúc và tính chất của phân tử, không nên được sử dụng một cách độc lập mà cần kết hợp với các khái niệm khác như độ âm điện, hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng cộng hưởng,…

Ví dụ bổ sung

Xét ion thiocyanate (SCN⁻). Có ba cấu trúc cộng hưởng có thể có:

S⁻-C≡N
S=C=N⁻
⁺S≡C-N²⁻

Dựa vào điện tích hình thức, ta có thể đánh giá sự đóng góp của từng cấu trúc. Cấu trúc 2 (S=C=N⁻) có điện tích hình thức gần bằng không trên các nguyên tử (S=0, C=0, N=-1) và phân bố điện tích hợp lý hơn so với hai cấu trúc còn lại. Cấu trúc 1 có điện tích hình thức S=-1, C=0, N=0. Cấu trúc 3 có điện tích hình thức S=+1, C=0, N=-2. Do đó, cấu trúc 2 đóng góp nhiều nhất vào trạng thái lai cộng hưởng của ion thiocyanate.

Tóm tắt về Điện tích hình thức

Điện tích hình thức là một công cụ hữu ích để đánh giá sự phân bố điện tích trong phân tử và xác định cấu trúc Lewis ổn định nhất. Nó được tính bằng công thức: $FC = V – N – \frac{B}{2}$, trong đó $V$ là số electron hóa trị, $N$ là số electron không liên kết, và $B$ là số electron liên kết. Tuy nhiên, cần nhớ rằng điện tích hình thức chỉ là một đại lượng hình thức, dựa trên giả định chia đều electron liên kết, và không phản ánh chính xác điện tích thực tế của nguyên tử.

Cấu trúc Lewis ổn định nhất thường là cấu trúc có tổng điện tích hình thức gần bằng không và các nguyên tử có điện tích hình thức nhỏ (gần 0). Điện tích hình thức cũng có thể giúp dự đoán vị trí phản ứng trong phân tử. Nguyên tử mang điện tích hình thức âm có xu hướng hoạt động như nucleophile, trong khi nguyên tử mang điện tích hình thức dương có xu hướng hoạt động như electrophile.

Khi phân tích các phân tử có cộng hưởng, cấu trúc cộng hưởng với điện tích hình thức gần bằng không trên các nguyên tử và phân bố điện tích hợp lý thường đóng góp nhiều hơn vào trạng thái lai cộng hưởng. Không nên nhầm lẫn điện tích hình thức với số oxi hóa. Số oxi hóa là một khái niệm khác, cũng dùng để theo dõi electron trong phân tử, nhưng dựa trên các quy tắc khác nhau.

Cuối cùng, điện tích hình thức chỉ là một công cụ hỗ trợ và cần được sử dụng kết hợp với các khái niệm khác như độ âm điện, hiệu ứng cảm ứng, và hiệu ứng cộng hưởng để có cái nhìn toàn diện về cấu trúc và tính chất của phân tử. Việc lạm dụng hoặc hiểu sai về điện tích hình thức có thể dẫn đến những kết luận không chính xác.

Tài liệu tham khảo:

Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General chemistry: Principles and modern applications. Pearson.
Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., & Woodward, P. M. (2012). Chemistry: The central science. Pearson.
McMurry, J., Fay, R. C., & Robinson, J. K. (2016). Chemistry. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Điện tích hình thức và số oxi hoá có gì khác nhau?

Trả lời: Mặc dù cả hai đều là các khái niệm liên quan đến việc gán giá trị số cho nguyên tử trong phân tử, nhưng chúng được tính toán và diễn giải khác nhau. Điện tích hình thức ($FC = V – N – \frac{B}{2}$) giả định rằng các electron liên kết được chia đều giữa các nguyên tử, không xét đến độ âm điện. Số oxi hoá, ngược lại, gán tất cả các electron liên kết cho nguyên tử có độ âm điện cao hơn. Do đó, số oxi hoá phản ánh sự phân bố electron dựa trên độ âm điện, trong khi điện tích hình thức thì không.

Làm thế nào để sử dụng điện tích hình thức để xác định cấu trúc cộng hưởng quan trọng nhất?

Trả lời: Trong các cấu trúc cộng hưởng, cấu trúc có tổng điện tích hình thức gần bằng không và có điện tích hình thức nhỏ nhất trên từng nguyên tử thường được coi là cấu trúc cộng hưởng quan trọng nhất, đóng góp nhiều nhất vào trạng thái lai cộng hưởng. Ngoài ra, cấu trúc có điện tích âm nằm trên nguyên tử có độ âm điện cao và điện tích dương nằm trên nguyên tử có độ âm điện thấp cũng được coi là quan trọng hơn.

Có trường hợp nào điện tích hình thức không hữu ích trong việc dự đoán tính ổn định của phân tử không?

Trả lời: Có. Ví dụ, trong trường hợp các phân tử có liên kết giữa các nguyên tử có độ âm điện chênh lệch lớn, điện tích hình thức có thể đưa ra dự đoán sai lệch về tính ổn định. Trong những trường hợp này, sự phân bố điện tích thực tế bị ảnh hưởng mạnh bởi độ âm điện, và việc giả định chia đều electron của điện tích hình thức không còn chính xác nữa.

Điện tích hình thức có thể được sử dụng để dự đoán vị trí phản ứng như thế nào?

Trả lời: Điện tích hình thức có thể giúp xác định các vị trí giàu electron và thiếu electron trong phân tử. Nguyên tử mang điện tích hình thức âm thường hoạt động như nucleophile (tấn công trung tâm điện tích dương), trong khi nguyên tử mang điện tích hình thức dương thường hoạt động như electrophile (tấn công trung tâm điện tích âm).

Tại sao việc hiểu về điện tích hình thức lại quan trọng trong hoá học hữu cơ?

Trả lời: Trong hoá học hữu cơ, điện tích hình thức đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu cấu trúc, tính chất và phản ứng của các phân tử hữu cơ. Nó giúp xác định cấu trúc cộng hưởng quan trọng nhất, dự đoán vị trí phản ứng, và giải thích tính axit-bazơ của các hợp chất hữu cơ. Việc hiểu rõ về điện tích hình thức là cần thiết để nắm vững các nguyên lý cơ bản của hoá học hữu cơ.

Một số điều thú vị về Điện tích hình thức

Không phải lúc nào cũng bằng không: Mặc dù cấu trúc Lewis ổn định nhất thường có điện tích hình thức bằng không hoặc gần bằng không trên các nguyên tử, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Có những trường hợp phân tử ổn định lại có nguyên tử mang điện tích hình thức khác không. Ví dụ, trong ozon (O₃), nguyên tử oxy trung tâm mang điện tích hình thức +1, trong khi một trong hai nguyên tử oxy còn lại mang điện tích hình thức -1.
Liên quan đến quy tắc octet: Điện tích hình thức có liên quan mật thiết đến quy tắc octet (nguyên tử có xu hướng đạt được cấu hình electron lớp ngoài cùng với 8 electron). Thông thường, việc tối thiểu hóa điện tích hình thức cũng đồng nghĩa với việc tuân thủ quy tắc octet cho hầu hết các nguyên tử trong phân tử. Tuy nhiên, có những ngoại lệ, ví dụ như các phân tử có nguyên tử trung tâm có thể mở rộng octet (như PCl₅, SF₆).
Không phải là điện tích thực: Mặc dù tên gọi là “điện tích hình thức”, nhưng nó không phản ánh điện tích thực tế của nguyên tử trong phân tử. Điện tích thực tế là một đại lượng phức tạp hơn, phụ thuộc vào sự phân bố electron thực tế, được xác định bởi độ âm điện và các yếu tố khác. Điện tích hình thức chỉ là một công cụ để ước lượng sự phân bố điện tích một cách đơn giản.
Hữu ích cho việc lựa chọn cấu trúc cộng hưởng: Trong các phân tử có cộng hưởng, điện tích hình thức có thể giúp xác định cấu trúc cộng hưởng nào đóng góp nhiều nhất vào trạng thái lai cộng hưởng. Cấu trúc cộng hưởng với điện tích hình thức nhỏ hơn và phân bố điện tích hợp lý hơn thường đóng góp nhiều hơn.
Có thể áp dụng cho cả ion và phân tử trung hòa: Khái niệm điện tích hình thức có thể được áp dụng cho cả phân tử trung hòa và ion. Trong ion, tổng điện tích hình thức của tất cả các nguyên tử phải bằng điện tích của ion.
Không phải là yếu tố duy nhất quyết định tính ổn định: Mặc dù điện tích hình thức là một yếu tố quan trọng, nhưng nó không phải là yếu tố duy nhất quyết định tính ổn định của một phân tử. Các yếu tố khác như độ âm điện, hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng cộng hưởng, và năng lượng liên kết cũng đóng vai trò quan trọng.