형식 전하 (Formal charge)
한 줄 정의: 결합 전자를 균등하게 나눴다고 가정할 때 각 원자에 배정되는 전하입니다.
쉽게 풀면
루이스 구조를 여러 가지로 그릴 수 있을 때, 어느 것이 더 그럴듯한지 판단하는 기준이 필요합니다. 형식 전하는 그 기준의 하나로, 원자의 원자가전자 수에서 비공유 전자 수와 결합 전자의 절반을 빼서 구합니다. 계산 결과 형식 전하가 0에 가깝게 고르게 분포한 구조가 대체로 더 안정한 것으로 봅니다. 또 음의 형식 전하는 전기음성도가 큰 원자에 놓이는 편이 유리합니다.
왜 중요한가
공명 구조들의 기여 정도를 비교하거나, 반응 중간체에서 전하가 어디에 있는지 추적할 때 기본 도구로 쓰입니다. 유기 반응 메커니즘을 화살표로 표기할 때 전하 표시가 맞는지 점검하는 일도 이 계산에 기댑니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"세 가지 공명 구조의 형식 전하 분포를 비교하여 주된 기여 구조를 결정하였다."
형식 전하를 공명 구조 평가에 적용하는 표준적 논증입니다.
"중간체의 양의 형식 전하가 질소에 위치함을 근거로 후속 친핵체 공격 위치를 예측하였다."
전하 위치로 반응성을 예측하는 사고를 보여 줍니다.
조금 더 깊게 보면
형식 전하는 결합 전자를 두 원자가 정확히 반씩 갖는다고 가정하므로, 전기음성도 차이를 전혀 반영하지 않는 인위적인 계산입니다. 반대편 극단에는 결합 전자를 전기음성도가 큰 원자가 모두 가져간다고 보는 산화수가 있습니다. 실제 전자 분포는 이 둘 사이 어딘가에 있으며, 계산화학에서는 부분 전하로 더 정밀하게 다룹니다. 분자 전체의 형식 전하 합은 그 분자나 이온의 실제 전하와 반드시 같아야 하므로, 구조를 그린 뒤 검산하는 데 활용할 수 있습니다.
주의할 점
형식 전하는 실제 원자가 띠는 전하량이 아니라 구조를 비교하기 위한 장부상의 값입니다. 산화수와도 계산 규칙이 다르므로, 같은 원자에 대해 두 값이 서로 달라도 모순이 아닙니다.