形式電荷

臭氧和硝酸根離子中的形式電荷（圖中藍色）

形式電荷（英語：Formal charge，FC）是指在分子中，假定所有化學鍵的電子在原子之間均等共享（不考慮相對電負度），一個原子所分配到的電荷。當確定某個分子的最佳路易士結構（或主要共振結構）時，所選結構使得每個原子上的形式電荷儘可能接近於零。

分子中任何原子的形式電荷可以通過下式計算得出：

$FC=V-N-{\frac {B}{2}}\$

其中V是孤立的中性原子（基態）的價電子數，N是分子中該原子未成鍵價電子數，B是與分子中其它原子成鍵共享的電子的總數。

形式電荷可以用來預測分子結構、估計分子穩定性、解釋分子偶極方向（如CO）和理解配位行為。

示例

• CO₂是一個中性分子，共有16個價電子。有三種不同的方法可以畫其Lewis結構：
  • 碳通過單鍵連接至2個氧原子（C = +2，O = −1，形式電荷為0）
  • 碳通過單鍵連接一個氧，雙鍵連接另一個氧（C = +1, O_雙鍵 = 0，O_單鍵 = −1，形式電荷為0）
  • 碳通過雙鍵連接至2個氧原子（C = 0，O = 0，形式電荷為0）

即使三種結構計算出的總電荷為零，最後一種結構是最好的，因為其分子中根本沒有電荷。

替代方法

下列方法是等價的：

• 在需要計算形式電荷的原子周圍繪製一個圓圈（如下面的二氧化碳）：

• 計算原子的「圈」中的電子數。 由於圓圈將共價鍵切割為「一半」，每個共價鍵計為一個電子而不是兩個。
• 元素在週期表中所在族（來自舊的編號系統的羅馬數字，而不是IUPAC的1-18系統）中減去圓圈中的電子數，以確定形式電荷。

• 對於該二氧化碳Lewis結構中的剩餘原子計算的形式電荷，如下圖所示。

需要注意的是，形式電荷只是「形式」，如同形式主義那樣。形式電荷的體系只是一種方法，當分子形成時，確定每個原子的所有價電子。

形式電荷與氧化態的比較

形式電荷是評估分子內電荷分布的工具。氧化態也能對電子在分子中的分布進行評估。如果比較二氧化碳中的原子的形式電荷和氧化態，可以得到以下數據：

這些值之間差異的原因是形式電荷和氧化態表示的是分子中原子之間的電子分布的根本不同的方式。通過形式電荷，假定每個共價鍵中的電子在鍵中的兩個原子之間十分均勻地分開（因此可以在上述方法中除以2）。CO₂分子的形式電荷如下圖所示：

在用形式電荷計算時，過分強調了化學鍵的共價（共享）成分，實際上氧原子和碳原子相比，具有較高的電負度，所以氧原子周圍具有較高的電子密度。 這可以在靜電電位圖中有效地實現可視化。 而以氧化態的形式進行處理時，鍵中的電子被「授予」具有更大電負度的原子。CO₂分子的氧化態如下圖所示：

氧化態過分強調化學鍵的離子成分，大多數化學家認為碳和氧之間的電負度差異不足以將其視作離子鍵。

實際上，分子中的電子分布位於這兩個極端（共價鍵至離子鍵）之間的某處。而正因為分子的簡單的Lewis結構圖存在不足，讓斯萊特、鮑林發展出了更加普遍適用且準確的價鍵理論，馬利肯、洪特等人提出了分子軌域理論。

參見

• 氧化態
• 化合價
• 配位數