Càrrega formal i oxidació: nitrat, amoni i ressonància

Un àtom pot tenir càrrega formal positiva i un nombre d’oxidació negatiu en la mateixa espècie. No és una contradicció: els dos procediments reparteixen els electrons d’una manera diferent i responen preguntes diferents.

Aquesta pràctica compara els dos recomptes amb ions de nitrogen i utilitza el nitrat per interpretar estructures ressonants. No cal atribuir a cada àtom una càrrega elèctrica real igual a cap d’aquests nombres enters. El primer pas és declarar quina regla estàs aplicant.

Dues regles que no es poden barrejar

Per a la càrrega formal, repartim per igual els electrons de cada enllaç entre els dos àtoms. Una fórmula còmoda és:

CF = electrons de valència de l’àtom neutre − electrons no enllaçants − meitat dels electrons enllaçants.

Per al nombre d’oxidació, assignem els electrons d’un enllaç a l’àtom més electronegatiu. En els exemples d’aquesta pràctica, l’oxigen tindrà −2 i l’hidrogen unit a nitrogen, +1. No utilitzem aquestes regles abreujades en peròxids ni hidrurs metàl·lics, que no formen part dels exercicis.

La secció de càrregues formals i ressonància d’OpenStax permet comprovar el recompte formal. La càrrega total de l’espècie és un control comú: la suma de càrregues formals i la suma de nombres d’oxidació han de reproduir-la.

Primer exercici: nitrat, càrrega formal i oxidació

Dades estructurals. Representem una forma de Lewis de NO₃⁻ amb nitrogen central, un enllaç doble N=O i dos enllaços simples N–O. El nitrogen no té parells lliures. L’oxigen de l’enllaç doble té dos parells lliures; cada oxigen amb enllaç simple en té tres.

Per al nitrogen, hi ha cinc electrons de valència, zero no enllaçants i vuit electrons compartits al voltant seu. Així, CF(N) = 5−0−8/2 = +1.

Per a l’oxigen doble: CF(O) = 6−4−4/2 = 0. Per a cada oxigen simple: CF(O) = 6−6−2/2 = −1. La suma és +1+0−1−1 = −1, coherent amb l’ió.

Ara calculem el nombre d’oxidació del nitrogen. Els tres oxígens contribueixen 3·(−2)=−6. Com que la càrrega total és −1, N−6=−1 i obtenim N = +5.

El nitrogen té, doncs, càrrega formal +1 i nombre d’oxidació +5. Escriure +5 com a càrrega formal de la forma de Lewis seria barrejar els dos repartiments d’electrons.

Segon exercici: amoni i el signe que sembla sorprenent

Dades estructurals. NH₄⁺ té quatre enllaços simples N–H i cap parell lliure sobre el nitrogen.

La càrrega formal del nitrogen és CF(N) = 5−0−8/2 = +1. Cada hidrogen té un electró de valència, cap electró no enllaçant i dos electrons a l’enllaç: CF(H)=1−0−2/2 = 0.

Per al nombre d’oxidació, els quatre hidrogens aporten +4. La suma ha de ser +1, de manera que N+4=+1 i resulta N = −3.

Així, el mateix nitrogen té càrrega formal positiva i nombre d’oxidació negatiu. La regla formal li assigna un electró de cada enllaç; la regla d’oxidació li assigna tots els electrons compartits amb hidrogen perquè el nitrogen és més electronegatiu.

Com a contrast, en NH₃ el nitrogen té un parell lliure i tres enllaços: CF(N)=5−2−6/2=0, però el nombre d’oxidació continua sent −3. Passar d’amoníac a amoni per protonació canvia la càrrega formal del nitrogen sense implicar una oxidació del nitrogen en aquest recompte.

Tercer exercici: què canvia entre les formes ressonants

Pregunta. En el nitrat del primer exercici, podem col·locar el doble enllaç amb qualsevol dels tres oxígens. Què canvia i què es conserva?

Canvia la localització dibuixada de l’enllaç doble i, amb ella, quin oxigen té càrrega formal zero en aquella forma. Els altres dos oxígens tenen càrrega formal −1. El nitrogen conserva +1 i la suma total continua sent −1.

Els nuclis no canvien de posició entre aquestes representacions. Tampoc no descrivim tres ions diferents que s’intercanvien com si fossin isòmers ni un doble enllaç que salta físicament a intervals regulars. Les formes contribueixen a representar una distribució electrònica deslocalitzada.

En el recompte simplificat de tres formes equivalents, cada enllaç N–O apareix una vegada com a doble i dues com a simple. El seu ordre mitjà formal és (2+1+1)/3 = 4/3. Aquest resultat explica per què no s’ha d’interpretar la forma única de Lewis com un enllaç permanentment doble i dos permanentment simples.

El nombre d’oxidació del nitrogen continua sent +5 en totes les formes. Moure els electrons del dibuix ressonant no canvia la fórmula, la càrrega total ni l’assignació d’oxidació utilitzada.

Tres controls per revisar una resposta

Comprova primer que has comptat electrons no enllaçants, no parells: tres parells lliures són sis electrons. Després suma totes les càrregues formals. Finalment, fes el recompte d’oxidació en una línia separada.

No utilitzis la suma correcta com a única prova de la distribució. Dues assignacions errònies poden compensar-se i mantenir el total. Cal justificar cada àtom amb el seu nombre d’enllaços i electrons.

El pilar d’enllaç químic permet repassar les estructures de Lewis i la geometria. El pilar de redox utilitza els nombres d’oxidació per detectar transferències d’electrons, una funció diferent de comparar formes de Lewis.

Preguntes freqüents

La càrrega formal és la càrrega real mesurada d’un àtom?

No. És una assignació de comptabilitat electrònica que reparteix per igual els electrons dels enllaços; no equival automàticament a la distribució real de càrrega.

Un nitrogen amb càrrega formal positiva pot tenir oxidació negativa?

Sí. A NH₄⁺, la càrrega formal del nitrogen és +1 i el seu nombre d’oxidació és −3 perquè s’apliquen repartiments diferents dels electrons.

Les formes ressonants són molècules que canvien l’una en l’altra?

No. Són representacions d’una mateixa espècie amb electrons deslocalitzats; no impliquen un canvi de posició dels nuclis entre molècules diferents.

Escriu el nom del recompte al costat del resultat

Refes els exemples amb dues columnes, una per a càrrega formal i una per a oxidació. Si algun número canvia de columna sense justificació, revisa la regla electrònica. Per practicar aquest fonament abans d’enllaç i redox, consulta Química per a les Illes Balears i l’opció de compra indicada a la fitxa.