高校化学基礎 分子の形と極性—結合の向きから分子全体の偏りを判断する｜武蔵野個別指導塾

二酸化炭素と水の形を比べ、結合の偏りが打ち消し合うかをたどって分子の極性を判断します。

よくあるのは、極性のある結合を見つけた高校生が、その分子にも必ず極性があると考える場面です。結合の両端で電子の偏りがあっても、分子の形によっては別の結合の偏りと打ち消し合います。まず結合ごとの向きを調べ、次にそれらを分子全体で合わせて考えましょう。ここでは基本的な分子の形と極性を扱い、軌道混成には進みません。

テストで問われる3つの見方

1つ目は、示された分子の形を選び、その形を言葉で表す型です。中心原子の周りに原子が何個あるかだけでなく、それらが一直線上にあるか、折れ曲がっているかまで見ます。例えば同じ3原子からなる分子でも、結合の並び方が違えば分子全体の偏りの結論が変わります。

2つ目は、結合の極性と分子の極性をそれぞれ答える型です。結合の極性は、結合した2原子の間で共有電子対がどちらに引き寄せられるかを考えます。分子の極性は、結合ごとの偏りを向きまで含めて合わせた結果です。問いの主語が「結合」か「分子」かに印を付けると、別々に答えやすくなります。

3つ目は、似た分子を比較し、片方には極性があり、もう片方にはない理由を記述する型です。単に「対称だから」と書くより、どの結合の偏りがどの向きにあり、互いに打ち消すかまで示します。形を示す条件が問題に与えられたときは、紙の上の式だけで形を決めず、その条件に戻って判断します。

電子の偏りを向きと一緒に見る

異なる原子が共有結合すると、共有電子対を引き寄せる強さの違いによって、電子の分布が一方に偏ることがあります。この引き寄せる強さを電気陰性度といいます。電気陰性度が大きい原子側は相対的に負、小さい原子側は相対的に正に偏ります。これは電子が完全に移動してイオンになったという意味ではありません。

結合の両端に生じる正負の偏りを結合の極性といいます。図1の矢印は、結合に沿って相対的に負に偏る側を指す模式的な表現です。矢印は電子そのものの移動経路ではありません。同じ原子どうしの結合なら、両端の引き寄せる強さは等しく、この結合に極性はありません。

図1のように、分子全体の極性は、各結合の偏りの向きと大きさを合わせて考えます。正負の偏りが分子全体として残る分子を極性分子、打ち消し合って全体として残らない分子を無極性分子といいます。無極性分子でも、それを作る結合に極性がある場合があります。

分子の形を考えるとき、中心原子の周りの電子対は互いに反発し、なるべく離れるように配置されます。結合に使われる電子対だけでなく、結合に使われない非共有電子対も反発に関わります。分子の形の名前は原子の位置で表します。非共有電子対を原子として数えず、原子の並びと電子対の配置を区別してください。

水分子 H₂O では酸素原子の周りに2つの結合と2組の非共有電子対があり、原子の並びは折れ線形です。二酸化炭素分子 CO₂ は炭素原子を中心に酸素原子が両側に並ぶ直線形です。二重結合も、形を考える際には中心原子から相手の原子への1つの方向として見ます。構造式に線が2本あるからといって、酸素原子が2個ずつあるとは数えません。

アンモニア分子 NH₃ は窒素原子に3個の水素原子が結び付き、窒素原子上に非共有電子対が1組あります。原子の並びは三角錐形です。メタン分子 CH₄ は炭素原子を中心とする正四面体形です。平面に書いた構造式は立体の形をそのまま示すとは限らないため、問題で扱う形を確かめてから矢印を合わせます。

基本例題：二酸化炭素の両側を見る

問題 炭素原子を中心に2個の酸素原子が一直線に並ぶ CO₂ を考えます。酸素の電気陰性度は炭素より大きいものとします。CとOの各結合に極性があるか、分子全体に極性があるかをそれぞれ答え、「向き」と「打ち消す」を使って理由を説明してください。

まず原子の並びを O—C—O と置きます。炭素から左右の酸素へ向かう2つの結合は、同じ種類の原子間の結合です。酸素は炭素より共有電子対を強く引き寄せますから、どちらの結合でも酸素側が相対的に負です。したがって各 C—O 結合には極性があります。

図2のように、左の結合の偏りは炭素から左の酸素へ、右の結合の偏りは炭素から右の酸素へ向きます。分子が直線形なので2つの向きは正反対です。また両側は同じ C—O 結合であり、この対称な配置では偏りの大きさが等しくなります。

図2に示す2本の矢印を合わせると、等しい大きさで反対向きなので、全体として偏りは残りません。答えは「各結合に極性はあるが、分子全体には極性がない」です。理由は「2つの結合の偏りが等しい大きさで反対の向きにあり、打ち消すため」です。CO₂ は無極性分子です。

答えを元の条件へ戻してみましょう。左右の端がともに酸素で、中心が炭素、形が直線という条件を満たしています。もし片側の原子が別の種類なら、左右の偏りの大きさまで同じとは限らず、この説明をそのまま使えません。各結合の極性を調べる段階と、左右を合わせる段階を分けることが要点です。

少し難しい例題：形が変わると何が残るか

問題 水分子 H₂O は、酸素原子を中心として2個の水素原子が折れ線形に結び付いています。酸素の電気陰性度は水素より大きいものとします。各 O—H 結合の偏りが向かう原子と、分子全体の極性の有無を答えてください。また「折れ線形」「打ち消し合わない」の2語を使って理由を書いてください。

まず、2本の O—H 結合では、ともに酸素側へ電子が引き寄せられます。したがって、それぞれの偏りは水素側から酸素側へ向きます。次に、その2つの向きを分子の形の上で合わせます。折れ線形では2本は同一直線上の反対向きではないため、等しい大きさの偏りがあっても全体として打ち消し合いません。

答えは、各結合の偏りは酸素原子側へ向かい、分子全体には極性がある、です。理由は「折れ線形なので、2つの結合の偏りが打ち消し合わないから」です。水分子は極性分子です。各矢印を酸素側に置き直すと、2つの水素の側から酸素の側へ向かう成分が残り、答えと条件が対応します。

判断の分かれ目は、極性のある結合の本数ではなく、それぞれの向きと大きさです。基本例題と同じく結合が2方向にあっても、直線形で反対向きなら打ち消し合い、折れ線形では残ります。形の名前だけを答案に置くのではなく、その形が矢印に与える違いまで説明しましょう。

間違えた答えを直す

誤答として「CO₂ の C—O 結合には極性があるので、CO₂ は極性分子です」と書いたとします。原因は、1本の結合にある偏りを、そのまま分子全体の偏りと取り違えたことです。図3のように、もう片方の結合にも矢印を書き足して向きを比べます。

図3では左右の矢印が等しい大きさで反対を向くため、分子全体には偏りが残りません。「結合には極性があるが、分子は無極性」と直します。結合の有無と分子の有無を別の欄に書くと、どちらの問いに答えているか確認できます。

逆に「同じ結合が2本あるから必ず無極性」という答えも不十分です。水のように折れ曲がった形では、2つの偏りは完全には打ち消せません。結合の種類が同じかどうかを確かめた後で、立体的な向きも調べます。また、相対的な正負をイオンの電荷と同じものとして扱わないよう、記号が何を表すか書き添えると誤解を防げます。

形を平面に描くときも注意が必要です。正四面体形の4方向は、紙に描いた十字の4方向とは異なります。図が模式的な場合は立体の配置を言葉で補い、図の線だけを根拠に平面形と決めないようにします。反対に、直線形と問題で指定されたときは、両端の原子と結合の種類が等しいかを確認してから打ち消しを判断します。

答案を書くときには、結論の前に根拠の順番を整えます。まず「どちらの原子側に偏るか」を結合ごとに示し、次に「それらがどの方向に並ぶか」を形から述べます。最後に「分子全体に偏りが残るか」を結論にします。この3段階がつながっていれば、無極性という答えでも極性結合の存在を否定せずに説明できます。

たとえば直線形という情報だけでは、両側の結合の偏りが同じ大きさとは決まりません。中心から両端へ伸びる結合が同じ種類か、両端にある原子が同じかを調べます。向きが反対でも大きさが異なる場合は、強い側に偏りが残るためです。一方、同じ大きさという情報だけでも向きが反対とは決まりません。問題文にある形と原子の種類の両方を使うことが、判断の漏れを防ぎます。

自分で確かめる4問

次の各問では、示された分子の形と電気陰性度の関係を条件として使います。極性の有無は「極性分子」か「無極性分子」で答え、理由には指定された語を含めてください。

1. 塩化水素分子 HCl は2原子からなり、塩素の電気陰性度は水素より大きいものとします。結合の偏りが向かう原子と分子の極性を答え、「塩素側」を使って理由を述べてください。
2. アンモニア分子 NH₃ は三角錐形で、窒素の電気陰性度は水素より大きいものとします。3つの N—H 結合の偏りと分子の極性を答え、「三角錐形」「残る」を使って理由を述べてください。
3. メタン分子 CH₄ は正四面体形で、4本の C—H 結合の偏りは同じ大きさで炭素側に向くものとします。分子の極性を答え、「正四面体形」「打ち消し合う」を使って理由を述べてください。
4. フッ化水素分子 HF は2原子からなり、フッ素の電気陰性度は水素より大きいものとします。「同じ原子どうしの結合なので無極性分子である」という説明の誤りを指摘し、正しい極性を「異なる原子」「フッ素側」を使って述べてください。

答えと考え方

1. 偏りは塩素原子側へ向かい、極性分子です。共有電子対が塩素側に引き寄せられ、2原子間の偏りが分子全体の偏りとして残るためです。条件に戻すと、水素と塩素は1個ずつで、打ち消すための別の結合はありません。

2. 3つの結合の偏りはいずれも窒素側に向かい、極性分子です。三角錐形では3つの偏りを合わせても全体として残るからです。窒素を頂点、水素3個を底面の頂点として戻すと、底面に沿う成分は対称性で消えますが、底面から窒素へ向かう成分は消えません。非共有電子対があることと、原子の形が三角錐形であることを混同しないようにします。

3. 無極性分子です。正四面体形の4方向に同じ大きさの結合の偏りが対称に配置され、打ち消し合うからです。条件どおり4本とも炭素側に矢印を置き直すと、どの1方向にも全体の偏りは残りません。1本ずつには偏りがあるという仮定と、分子全体には残らないという結論は両立します。

4. H と F は異なる原子なので、「同じ原子どうし」という部分が誤りです。共有電子対がフッ素側に引き寄せられるため、HF は極性分子です。元の条件に戻すと、2原子を結ぶ1本の結合の偏りが残り、反対向きに打ち消す別の結合はありません。元素記号を読み違えず、分子式の原子の種類から確かめます。

手元に残す要点

結合の極性は、結合した原子間の電子の偏りです。
分子の極性は、結合ごとの偏りを向きと大きさで合わせて判断します。
直線形でも両端の結合が同じか確かめます。
折れ線形や三角錐形では偏りが残る場合があります。
正四面体形では同じ偏りが対称に並ぶと打ち消し合います。

説明が止まる場所を見つける

結合の矢印を描けないときは、まず問題で与えられた電気陰性度の大小を読み、電子が引き寄せられる原子を指で示してみましょう。矢印は描けても分子の極性を答えられないときは、分子の形を描き直し、反対向きで同じ大きさの偏りがあるか確認します。形がわからない場合には、中心原子に結び付く原子と非共有電子対を分けて数えるところへ戻ります。

個別指導で確かめるなら、まず1本の結合の相対的な正負を説明し、次に分子全体で矢印が残るかを自分の言葉で述べる練習ができます。説明が途中で変わったときは、問題の原子の種類と形に戻して矢印を書き直します。結合の偏りと分子の偏りを区別できれば、初めて見る組合せでも条件を根拠に判断できます。