9.7 Muatan Formal dan Struktur Lewis

Membandingkan jumlah elektron dalam atom yang terisolasi dengan jumlah elektron yang digunakan untuk ikatan dengan atom yang sama dalam struktur Lewis, kita dapat menentukan distribusi elektron dalam molekul dan menggambar struktur Lewis yang paling masuk akal. Prosedur penulisan adalah sebagai berikut: Dalam atom yang terisolasi, jumlah elektron yang terkait dengan atom hanyalah jumlah elektron valensi. (Seperti biasa, kita tidak perlu khawatir dengan elektron bagian dalam.) Dalam sebuah molekul, elektron yang terkait dengan atom adalah elektron yang tidak terikat ditambah elektron dalam pasangan ikatan antara atom dan atom lainnya. Namun, karena elektron terbagi dalam suatu ikatan, kita harus membagi elektron dalam pasangan ikatan secara merata antara atom-atom yang membentuk ikatan. Muatan formal atom adalah perbedaan muatan listrik antara elektron valensi dalam atom yang diisolasi dan jumlah elektron yang ditugaskan pada atom itu dalam struktur Lewis.

Untuk menetapkan jumlah elektron pada atom dalam struktur Lewis, kita melanjutkan sebagai berikut:

• Semua elektron yang tidak terikat atom ditugaskan pada atom.
• Kita memutus ikatan antara atom dan atom lainnya dan menetapkan setengah dari elektron ikatan pada atom.

Mari kita ilustrasikan konsep muatan formal menggunakan molekul ozon (O₃). Melanjutkan dengan langkah-langkah, seperti yang kita lakukan dalam Contoh 9.3 dan 9.4, kita menggambar struktur kerangka O₃ dan kemudian menambahkan ikatan dan elektron untuk memenuhi aturan oktet untuk dua atom ujung:

Kita dapat melihat bahwa meskipun semua elektron yang tersedia digunakan, aturan oktet tidak memuaskan untuk atom pusat. Untuk mengatasinya, kita mengkonversi pasangan elektron bebas di salah satu atom ujung menjadi ikatan kedua antara atom ujung itu dan atom pusat, sebagai berikut:

Muatan formal pada setiap atom dalam O₃ sekarang dapat dihitung sesuai dengan skema berikut:

di mana garis merah bergelombang menunjukkan pemutusan ikatan. Perhatikan bahwa pemutusan ikatan tunggal menghasilkan transfer elektron, pemutusan ikatan ganda menghasilkan transfer dua elektron ke masing-masing atom ikatan, dan seterusnya. Dengan demikian, muatan formal atom dalam O₃ adalah

Untuk muatan positif dan negatif tunggal, kita biasanya menghilangkan angka 1. Saat kita menulis muatan formal, aturan ini sangat membantu:

1. Untuk molekul, jumlah muatan harus bertambah sampai nol karena molekul adalah spesi yang netral secara listrik. (Aturan ini berlaku, misalnya, untuk molekul O₃.)
2. Untuk kation, jumlah muatan formal harus sama dengan muatan positif. Untuk anion, jumlah tuntutan formal harus sama dengan muatan negatif.

Perhatikan bahwa muatan formal membantu kita melacak elektron valensi dan mendapatkan gambaran kualitatif distribusi muatan dalam molekul. Kita seharusnya tidak menafsirkan muatan formal sebagai transfer elektron yang aktual dan lengkap. Dalam molekul O₃, misalnya, studi eksperimental menunjukkan bahwa atom O pusat membawa muatan positif parsial sedangkan atom O akhir membawa muatan negatif parsial, tetapi tidak ada bukti bahwa ada transfer elektron yang lengkap dari satu atom ke atom lainnya.

Latihan 9.6

Tulis muatan formal untuk ion karbonat.

Strategi

Struktur Lewis untuk ion karbonat dikembangkan dalam Contoh 9.5:

Muatan formal pada atom dapat dihitung menggunakan prosedur yang diberikan.

Penyelesaian

Kita mengurangi jumlah elektron tidak terikat dan setengah elektron ikatan dari elektron valensi masing-masing atom.

Atom C: Atom C memiliki empat elektron valensi dan tidak ada elektron yang tidak terikat pada atom dalam struktur Lewis. Pemutusan ikatan rangkap dan dua ikatan tunggal menghasilkan transfer empat elektron ke atom C. Oleh karena itu, muatan formal adalah 4 - 4 = 0.

Atom O dalam C=O: Atom O memiliki enam elektron valensi dan ada empat elektron yang tidak terikat pada atom. Pemutusan ikatan rangkap menghasilkan transfer dua elektron ke atom O. Di sini muatan formal adalah 6 - 4 - 2 = 0.

Atom O dalam C-O: Atom ini memiliki enam elektron nonbonding dan pemutusan ikatan tunggal mentransfer elektron lain ke dalamnya. Oleh karena itu, muatan formal adalah 6 - 6 - 1 = -1.

Dengan demikian, struktur Lewis untuk CO₃²⁻ dengan muatan formal adalah

Periksa

Perhatikan bahwa jumlah muatan formal adalah -2, sama dengan muatan pada ion karbonat.

Latihan

Tulis muatan formal untuk ion nitrit (NO₂⁻).

Terkadang ada lebih dari satu struktur Lewis yang dapat diterima untuk spesi tertentu. Dalam kasus seperti itu, kita sering dapat memilih struktur Lewis yang paling masuk akal dengan menggunakan muatan formal dan pedoman berikut:

• Untuk molekul, struktur Lewis yang tidak memiliki muatan formal lebih disukai daripada struktur yang memuat muatan formal.
• Struktur Lewis dengan muatan formal yang besar (+2, =3, dan / atau -2, -3, dan seterusnya) kurang masuk akal dibandingkan dengan struktur dengan muatan formal kecil.
• Di antara struktur Lewis yang memiliki distribusi muatan formal yang serupa, struktur yang paling masuk akal adalah struktur di mana muatan formal negatif ditempatkan pada atom yang lebih elektronegatif.

Contoh 9.7 menunjukkan bagaimana muatan formal memfasilitasi pemilihan struktur Lewis yang tepat untuk suatu molekul.

Latihan 9.7

Formaldehid (CH₂O), cairan dengan bau yang tidak sedap, secara tradisional telah digunakan untuk mengawetkan spesimen laboratorium. Gambarkan struktur Lewis yang paling mungkin untuk senyawa tersebut.

Strategi

Struktur Lewis yang masuk akal harus memenuhi aturan oktet untuk semua unsur, kecuali H, dan memiliki muatan formal (jika ada) yang didistribusikan sesuai dengan pedoman elektronegativitas.

Penyelesaian

Dua struktur kerangka yang mungkin adalah

Pertama-tama kita menggambar struktur Lewis untuk setiap kemungkinan ini

Untuk menunjukkan muatan formal, kita mengikuti prosedur yang diberikan dalam Contoh 9.6. Dalam (a) atom C memiliki total lima elektron (satu pasangan elektron ditambah tiga elektron dari putusnya ikatan tunggal dan ganda). Karena C memiliki empat elektron valensi, muatan formal pada atom adalah 4 - 5 = -1. Atom O memiliki total lima elektron (satu pasangan elektron bebas dan tiga elektron dari pemutusan ikatan tunggal dan ganda). Karena O memiliki enam elektron valensi, muatan formal pada atom adalah 6 - 5 = +1. Dalam (b) atom C memiliki total empat elektron dari pemutusan dua ikatan tunggal dan ikatan ganda, sehingga muatan formalnya adalah 4 - 4 = 0. Atom O memiliki total enam elektron (dua pasangan elektron bebas dan dua elektron dari pemutusan ikatan rangkap). Oleh karena itu, muatan formal pada atom adalah 6 - 6 = 0. Meskipun kedua struktur memenuhi aturan oktet, (b) adalah struktur yang lebih mungkin karena tidak membawa muatan formal.

Periksa

Dalam setiap kasus pastikan bahwa jumlah total elektron valensi adalah 12. Dapatkah Anda menyarankan dua alasan lain mengapa (a) kurang masuk akal? 

Latihan

Gambarlah struktur Lewis yang paling masuk akal dari molekul yang mengandung atom N, atom C, dan atom H.