Carica formale nelle strutture di Lewis

Spesso si possono scrivere più strutture di Lewis per la stessa molecola: quale è quella «giusta»? La risposta sta in un calcolo semplice, la carica formale, che assegna a ogni atomo una carica fittizia e permette di scegliere, tra più strutture possibili, quella che descrive meglio la molecola reale. È lo strumento che trasforma il disegno di Lewis da arte intuitiva a procedimento razionale.

Vediamo come si definisce la carica formale, come si calcola passo per passo, perché non è una carica reale e come la si usa per scegliere la struttura migliore.

Che cos’è la carica formale

La carica formale è la carica che un atomo avrebbe se gli elettroni di ogni legame fossero divisi esattamente a metà tra i due atomi, ignorando le differenze di elettronegatività. È un’assegnazione contabile, non fisica: serve a tenere traccia degli elettroni in una struttura di Lewis, non a descrivere la vera distribuzione di carica.

La formula

La carica formale di un atomo si calcola sottraendo, dai suoi elettroni di valenza, gli elettroni non condivisi (le coppie solitarie) e metà degli elettroni condivisi (di legame):

carica formale = e_val − e_{non condivisi} − e_condivisi2

In pratica: ogni coppia solitaria «appartiene» tutta all’atomo (vale 2), mentre di ogni legame gli spetta metà degli elettroni (cioè uno per legame). Si confronta poi questo conteggio con gli elettroni di valenza che l’atomo dovrebbe avere da neutro: la differenza è la carica formale.

Un esempio passo per passo

Prendiamo l’azoto nello ione ammonio NH₄⁺. L’azoto ha 5 elettroni di valenza. Nella struttura forma quattro legami N–H e non ha coppie solitarie: elettroni non condivisi = 0, elettroni condivisi = 8 (quattro legami). La carica formale è 5 − 0 − 8/2 = 5 − 4 = +1. L’azoto porta dunque carica formale +1, coerente con la carica complessiva +1 dello ione. Questo è il primo controllo di coerenza:

somma delle cariche formali = carica totale della molecola o dello ione

La somma di tutte le cariche formali deve sempre eguagliare la carica netta della specie: zero per una molecola neutra, pari alla carica per uno ione. Se non torna, c’è un errore nella struttura.

Perché non è una carica reale

La carica formale assume una divisione perfettamente equa degli elettroni di legame, cosa che nella realtà non accade quasi mai: l’atomo più elettronegativo ne attira di più. Per questo la carica formale non coincide con la carica parziale reale (δ) né con il numero di ossidazione, che invece assegna tutti gli elettroni di legame all’atomo più elettronegativo. Sono tre «contabilità» diverse degli stessi elettroni, ciascuna utile per uno scopo.

Scegliere la struttura migliore

Qui sta l’utilità pratica. Quando per una molecola sono possibili più strutture di Lewis, si preferisce quella che soddisfa questi criteri, in ordine di importanza:

Una struttura con cariche formali tutte nulle è in genere la migliore. Quando le cariche sono inevitabili (come negli ioni), la struttura buona è quella che le minimizza e colloca la carica negativa sull’atomo che la «regge» meglio, cioè il più elettronegativo. Questo criterio è anche il modo per pesare le forme di risonanza: più una struttura limite ha cariche formali piccole e ben collocate, più contribuisce all’ibrido reale. La carica formale si rivela così uno strumento sorprendentemente potente: con un semplice conteggio di elettroni permette di mettere ordine tra strutture alternative, di scegliere quella più rappresentativa e di prevedere su quale atomo si concentra la reattività di una molecola o di uno ione. È un piccolo calcolo che ripaga in chiarezza ogni volta che si disegna una struttura di Lewis non banale.

Domande frequenti

Che cos’è la carica formale?

È una carica fittizia assegnata a un atomo in una struttura di Lewis, ottenuta dividendo equamente gli elettroni di ogni legame tra i due atomi. Non è una carica reale: serve a confrontare strutture alternative e a scegliere quella che descrive meglio la molecola. Si calcola come elettroni di valenza meno elettroni non condivisi meno metà di quelli condivisi.

Come si calcola la carica formale?

Si prendono gli elettroni di valenza dell’atomo (dal gruppo nella tavola periodica) e si sottraggono gli elettroni non condivisi (le coppie solitarie, contate per intero) e metà degli elettroni condivisi nei legami. Per l’azoto dell’ammonio: 5 − 0 − 8/2 = +1.

Qual è la differenza tra carica formale e numero di ossidazione?

La carica formale divide gli elettroni di legame a metà tra gli atomi, ignorando l’elettronegatività; il numero di ossidazione li assegna tutti all’atomo più elettronegativo. Sono due contabilità diverse: per l’ossigeno dell’acqua la carica formale è 0, mentre il numero di ossidazione è −2.

La carica formale è una carica reale?

No. Assume una condivisione perfettamente equa degli elettroni di legame, che nella realtà non avviene perché l’atomo più elettronegativo ne attira di più. La carica formale è uno strumento contabile; le cariche parziali reali (δ) dipendono invece dalle differenze di elettronegatività.

Come si usa la carica formale per scegliere la struttura migliore?

Si preferisce la struttura con cariche formali più vicine a zero, con il minor numero di atomi carichi e con le cariche negative sugli atomi più elettronegativi. Quando si confrontano forme di risonanza, contribuisce di più all’ibrido reale la struttura che soddisfa meglio questi criteri.