化学において、形式電荷（FCまたはq*）は、化学結合の共有結合の観点では、相対的な電気陰性度にかかわらず、すべての化学結合の電子が原子間で均等に共有されていると仮定して、分子内の原子に割り当てられる仮想的な電荷である。[1] [2]簡単に言えば、形式電荷とは、中性自由状態の原子の価電子の数とルイス構造でその原子に割り当てられている数との差である。分子に最適なルイス構造（または主要な共鳴構造）を決定する際には、各原子の形式電荷が可能な限りゼロに近くなるように構造が選択される。[2]
分子内の任意の原子の形式電荷は次の式で計算できます。
ここで、Vは中性原子の孤立状態（基底状態）の価電子の数、 Lは分子のルイス構造においてこの原子に割り当てられた非結合価電子の数、Bは分子内の他の原子との結合で共有されている電子の総数である。[2]また、以下のように視覚的に求めることもできる。
形式電荷と酸化状態はどちらも、化合物内の個々の原子に番号を割り当てます。これらは以下のセクションで比較対照されます。
例
- 例：CO 2は合計16個の価電子を持つ中性分子です。ルイス構造を描くにはいくつかの方法があります。
- 炭素は両方の酸素原子と単結合している（炭素 = +2、酸素 = 各 -1、総形式電荷 = 0）
- 炭素は1つの酸素と単結合し、別の酸素と二重結合している（炭素 = +1、酸素二重結合= 0、酸素単結合= -1、総形式電荷 = 0）
- 炭素は両方の酸素原子と二重結合している（炭素 = 0、酸素 = 0、総形式電荷 = 0）
3 つの構造すべてで合計電荷はゼロになりますが、分子内に電荷がまったく存在しないため、最終構造の方が優れています。
絵画的方法
以下は同等です:
- 形式電荷を求める原子の周りに円を描きます（下の二酸化炭素のように）
- 原子の「円」内の電子の数を数えましょう。円は共有結合を「半分」に切断するため、各共有結合は2つの電子ではなく1つの電子として数えられます。
- 形式電荷を決定するには、中性原子単独（基底状態）の価電子の数から円内の電子の数を引きます。
- この二酸化炭素のルイス構造の残りの原子に対して計算された形式電荷を以下に示します。
形式電荷とは、まさにその名の通り、形式的なものであり、この体系は形式主義であるという点に留意することが重要です。形式電荷体系は、分子が形成される際に各原子が持つすべての価電子を追跡するための方法に過ぎません。
使用規則
有機化学の慣習では、形式電荷はルイス・ケクレ構造を正しく表す上で不可欠な要素であり、形式電荷がゼロでない構造は誤り、あるいは少なくとも不完全であるとみなされます。形式電荷は、電荷を持つ原子の近くに描かれます。分かりやすさを考慮して、円で囲む場合と囲まない場合があります。
対照的に、この慣習は無機化学では従われません。有機金属化学の研究者の多く、そして錯体化学の研究者の大多数は、強調が必要な場合や特定の点を説明する必要がある場合を除き、正式な電荷を省略します。[3]代わりに、共有結合した電荷を持つ物質の後に右上隅に⌝を描き、その直後に全体の電荷を描きます。
右上隅の ⌝ は、荷電種全体を囲む角括弧に置き換えられる場合があり、この場合も合計電荷は括弧のすぐ外側の右上隅に記述されます。
この実際の違いは、主族元素のみを含む化合物の場合、結合次数、価電子数、したがって形式電荷の割り当てが比較的簡単であることに起因します（ただし、有機リチウム試薬やエノラートなどのオリゴマー化合物は過度に単純化され理想化された方法で表される傾向があります）。しかし、遷移金属の価電子数は明確ではないため、形式電荷を割り当てる明確な方法はありません。
形式電荷と酸化状態の比較
形式電荷は、分子内の電荷分布を推定するためのツールです。 [1] [2]酸化状態の概念は、分子内の電子分布を評価するための競合的な方法を構成します。二酸化炭素中の原子の形式電荷と酸化状態を比較すると、以下の値が得られます。
これらの値が異なる理由は、形式電荷と酸化状態が、分子内の原子間の電子分布を根本的に異なる方法で捉えているためです。形式電荷を用いると、各共有結合中の電子は結合している2つの原子間で正確に均等に分割されていると仮定されます（そのため、上記の方法では2で割っています）。CO 2分子の形式電荷の図は、基本的に以下のようになります。
形式電荷を用いる場合、結合の共有（共有）的側面が過度に強調される傾向があります。これは、実際には酸素原子の電気陰性度が炭素原子よりも高いため、酸素原子の周囲に高い電子密度が存在するためです。これは静電ポテンシャルマップで最も効果的に視覚化できます。
酸化状態公式によれば、結合中の電子は電気陰性度の高い原子に「与えられる」。CO 2分子の酸化状態図は以下の通りである。
酸化状態は結合のイオン性を強調しすぎます。炭素と酸素の電気陰性度の差は、結合がイオン性であるとみなすには不十分です。
実際には、分子内の電子分布はこれら二つの極端な例の間のどこかにあります。分子の単純なルイス構造の見方が不十分であったため、スレーター、ポーリングらはより一般的に適用可能で正確な原子価結合理論を考案し、その後、マリケンとフントによって分子軌道理論が発展しました。
参照
参考文献
- ^ ab ハーディンガー、スティーブ. 「正式な告発」(PDF) .カリフォルニア大学ロサンゼルス校. 2016年3月12日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年3月11日閲覧。
- ^ abcd 「形式電荷」.王立化学協会. 2021年12月10日閲覧。
- ^ 「第48章 有機金属化学」有機化学クレイデン, ジョナサン. オックスフォード: オックスフォード大学出版局. 2001年. pp. 1311-1314. ISBN 0198503474. OCLC 43338068。
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク)
