П. 3.2. Формальный и частичный заряды атомов в молекулах и ионах.

Формулу метильного катиона можно записать не только как ⁺СН₃, но и как СН₃⁺ (практически равнозначные записи). В последнем случае знак «+» указывает на заряд частицы в целом. При записи ⁺СН₃ знак «+» тоже указывает на заряд частицы в целом, но он также указывает на валентное состояние углерода (вокруг углерода не восемь как в молекуле метана или метильном анионе, не семь, как в метильном радикале, а шесть электронов, да и сам метильный катион может быть образован из трех атомов водорода и катиона углерода С⁺). Этот знак «+» называется в данном случае формальным зарядом, он описывает электронное состояние атома углерода.

Итак, метильный катион имеет заряд +1, формально мы приписываем этот заряд атому углероду, поскольку этот заряд описывает его валентное состояние (напомним еще раз, что сам метильный катион может быть образован из трех атомов водорода и катиона углерода С⁺). Однако не следует думать, что весь положительный заряд в метильном катионе СН₃⁺ сосредоточен только на атоме углерода. НИЧЕГО ПОДОБНОГО.

Связи углерода с водородом (С-Н) образованы за счет двух электронов (по одному неспаренному электрону от каждого атома, как и любая ковалентная связь, образованная по обменному механизму). Электроны этих связей С-Н могут смещаться к атому углерода, то есть располагаться не строго посередине между атомами углерода и водорода, а ближе к углеродному атому. При этом на атомах водорода возникает ЧАСТИЧНЫЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД (не целый, не формальный заряд «+1», как ранее, а именно частичный), обозначаемый символом «d+» (читается: «дельта плюс»). Строение метильного катиона можно изобразить при этом одним из нижеприведенных способов. Все они практически равнозначны, однако на практике чаще используется последнее обозначение ввиду его простоты, при этом то, что положительный заряд не сконцентрирован только на атоме углерода, а размыт, ДЕЛОКАЛИЗОВАН по всему катиону ПОДРАЗУМЕВАЕТСЯ.

Суммарный положительный заряд частицы по-прежнему равен +1, однако при такой записи (первые две формулы) указывается, что этот заряд распределен между атомом углерода и тремя атомами водорода. Конкретные значения d⁺ и d^/+ (к примеру, +0.1 и +0.7) могут быть определены физическими методами, однако для органической химии важно понимание наличия этих частичных зарядов, конкретные величины зарядов обычно не так существенны.

Необходимо ясно уяснить для себя отличие целочисленного формального заряда, приписываемого атому, от частичного заряда δ. Поясним это подробнее.

Атом водорода можно обозначить как Н или как Н ^., указывая на наличие у него одного электрона. Атом водорода электронейтрален. Два атома водорода образуют молекулу водорода, в которой два электрона связи Н-Н находятся строго посередине между атомами водорода (ковалентная неполярная связь). Считается, что в молекуле водорода Н₂ на атомах нет ни частичного положительного, ни частичного отрицательного заряда.

С другой стороны, рассмотрим молекулу фтороводорода, образованную из одновалентных атомов водорода и фтора. Два электрона связи Н-F располагаются ближе к более электроотрицательному атому фтора. На атоме водорода возник частичный положительный заряд «d+», а на атоме фтора – частичный отрицательный «d-» (напоминаю: электрон имеет заряд ‑1, а Вы не в магазине).

Но это именно частичные заряды «d+» и «d-», поскольку связь H-F является ковалентной полярной, а не ионной и электронная пара частично, а не полностью (как в случае ионной связи) смещена к атому фтора. Заряды «d+» и «d-» в молекуле HF по абсолютному значению (то есть по модулю) больше нуля, но меньше единицы, поскольку атом водорода лишь частично отдал свой валентный электрон атому фтора. Точные значения величин «d+» и «d-» (к примеру, +0.30 и -0.30 или что-то около) могут быть определены физическими методами, однако для объяснения особенностей протекающих химических реакций зачастую достаточно лишь знать, что на атоме водорода имеется какой-то частичный положительный заряд. Точное его значение обычно не так важно.

Если связь Н-F разорвать гетеролитически, чтобы два электрона связи перешли к атому фотора, то получаться две частицы, обладающие уже не частичными зарядами «d+» и «d-», а полными зарядами +1 и -1, поскольку тот электрон, который раньше принадлежал атому водорода сейчас ПОЛНОСТЬЮ перешел к атому фтора:

Если от атома водорода оторвать электрон, то получится частица, обозначаемая как «Н⁺» и называемая «протон». В данном случае знак «+» - это уже целочисленный, а не частичный заряд.

ЗАДАНИЕ № 2. Опишите при помощи символов δ⁺ и δ^- распределение заряда в следующих частицах:

Краткий ответ: Фтор, кислород, азот и хлор – типичные неметаллы, характеризующиеся высокой электроотрицательностью и стремлением притягивать электроны от менее электроотрицательных атомов.