高校化学 電子式と共有結合—共有電子対と非共有電子対を数え分ける｜武蔵野個別指導塾

価電子の総数と各原子の周囲の数を区別し、多重結合や配位結合を電子対から読み解く道筋をたどります。

よくあるのは、共有電子対を両方の原子の周囲に数えた後、その合計を分子全体の電子数としてしまう場面です。両原子が同じ電子対を共有しているので、原子ごとの周囲を数えるときには両方に含めます。しかし、分子全体ではその電子対は1組です。数える目的を先に決めると、この食い違いを整理できます。

何を数える問題か

電子式の問題には、原子の価電子から結合を書き込む型、完成した式から共有電子対と非共有電子対を数える型、電荷を持つ粒子を含めて条件に合う式を選ぶ型があります。どの型でも、原子の種類と個数、粒子全体の電荷を最初に確認します。結合の線の本数だけを眺めると、原子に残る電子対や電子の総数を見落とします。

ここでは代表的な小さい粒子を扱い、価電子の総数と各原子の周囲の電子数を照合します。水素は周囲に2個、ここで扱う炭素・窒素・酸素・フッ素は周囲に8個を目標とします。この目標は対象を限定した数え方であり、どんな粒子にも無条件で当てはめる規則ではありません。分子軌道法は扱いません。

電子の帳簿を2種類つくる

価電子は結合に関係する最外殻の電子です。対象とする中性原子の価電子数は、Hが1、Cが4、Nが5、Oが6、Fが7です。電子式では価電子を点で示し、2原子の間に共有される2個を共有電子対と呼びます。ある原子に属し、結合に使われない電子2個の組が非共有電子対です。

図1のように、水素分子の2個の電子は2原子の間の1組です。左のHから見ても右のHから見ても周囲は2個ですが、粒子全体の電子は2個です。各原子の周囲の数を足すと4個になるのは、共有した2個を2回数えるからです。総数を求めるときは図の点を1個ずつ数え、周囲を調べるときは各原子に接する共有対も含めます。

図1の共有対は構造式ではH-Hの1本線に置き換えられます。構造式の1本線は電子1個ではなく電子2個を表します。非共有電子対は構造式で省かれることが多いため、線だけの図から全電子を数えるときは、原子ごとに省略された対を補う必要があります。

電子式を作るときは、まず価電子を合計します。陰イオンなら負電荷の数だけ電子を加え、陽イオンなら正電荷の数だけ引きます。次に原子のつながりを決め、隣り合う原子の間に1組ずつ置きます。残りの電子を外側の原子から配置し、中心原子も所定の数に達するか調べます。Hは2個で満たされるため、それ以上の電子対を付けません。

たとえば中心原子の周囲が不足し、隣の原子に非共有電子対がある場合、その対を原子間へ移して共有対にできることがあります。2原子間の共有対が2組なら二重結合、3組なら三重結合です。移動の前後で電子の総数は変わりません。一方、原子ごとの周囲の数は共有対への変更によって変わるので、完成後に両方の帳簿を点検します。

一般に、扱う粒子に必要な周囲の電子数の合計をR、実際の価電子総数をV、共有電子対の組数をBとします。非共有電子は周囲の合計に1回、共有電子は両端で2回数えられるため、RはVより共有電子2B個分だけ大きくなります。対象の各原子が上記の目標を満たす式なら、B = (R − V)/2です。得られるBは全結合の線の本数に相当し、結合している原子の組の数とは限りません。この式は目標を満たせない粒子に機械的に適用できません。

基本例題：水の電子を配置する

問題：H₂Oの電子式を考えます。HとOの価電子数をそれぞれ1、6とし、共有電子対と非共有電子対の組数を整数で求めてください。Hは2個、Oは8個を周囲に持つものとします。

Oを中心にHを両側につなぎます。価電子の総数は1・2 + 6 = 8個です。2本の結合に電子を2個ずつ使うと4個が残り、O上の非共有電子対2組になります。したがって共有電子対は2組、非共有電子対も2組です。図2のように、2つの結合の対とO上の2つの対を区別して数えます。

図2に戻すと、電子の総数は共有4個と非共有4個の計8個です。各Hの周囲はそれぞれ2個、Oの周囲は共有4個と非共有4個で8個です。Oについて共有対を数えたからといって、全体の総数にもう一度加えることはしません。必要数の式でもR = 2・2 + 8 = 12、V = 8なのでB = (12 − 8)/2 = 2組と一致します。

標準例題：二重結合を見つける

問題：CO₂はCを中心としてO-C-Oの順につながります。CとOの価電子数を4、6とし、各原子の周囲を8個とします。結合の種類と、粒子全体の共有電子対・非共有電子対の組数を整数で答えてください。

総数は4 + 6・2 = 16個です。単結合を2本置き、それぞれのOの周囲を8個にすると、Cの周囲は共有対2組の4個で不足します。両側のOから非共有電子対を1組ずつ原子間へ移すと、O=C=Oになります。各Oには非共有電子対が2組ずつ残ります。

共有電子対は二重結合2か所に各2組なので4組、非共有電子対は計4組です。電子の総数は共有8個と非共有8個で16個です。Cの周囲は共有8個、各Oの周囲は共有4個と非共有4個で8個です。必要数からもR = 8・3 = 24、B = (24 − 16)/2 = 4組と求まります。ただし4組という数だけではどの原子間に何組あるかは決まらないので、与えられたつながりと各原子の周囲を使って配置まで確かめます。

発展例題：配位結合を含む粒子

問題：NH₃がH⁺と結び付いてNH₄⁺になると考えます。NとHの価電子数は5、1です。Nの周囲を8個、各Hの周囲を2個とし、生成したイオンの共有電子対と非共有電子対を整数の組数で答えてください。また、結合前後の電子総数を照合してください。

NH₃の価電子は5 + 1・3 = 8個です。N-H間に3組、N上に非共有電子対1組を配置できます。H⁺はH原子から電子を1個失った粒子なので、価電子を持ち込みません。N上の非共有電子対がNとHの間で共有されると、N-Hの共有対が4組になり、N上の非共有電子対は残りません。片方の原子がもともと持っていた電子対を共有して生じる結合を配位結合と呼びます。

生成後のNH₄⁺では、4組の共有電子対を合わせて8個です。各Hの周囲は2個、Nの周囲は8個で、電荷を考慮した総数5 + 1・4 − 1 = 8個とも合います。配位結合を矢印で示す場合は電子対を出すNから受け取るHへ向けますが、完成したイオンを数えるときにも矢印は共有電子対1組を表します。矢印に加えて別の結合線を数える必要はありません。

別解として必要数から数えます。4個のHとNに必要な周囲の数は2・4 + 8 = 16個、総数は8個なので、共有電子対は(16 − 8)/2 = 4組です。残る電子は8 − 2・4 = 0個で、非共有電子対は0組です。この方法で組数は求まりますが、どの電子対が結合前にN上にあったかはわかりません。配位結合の由来はNH₃とH⁺の出発時の電子配置に戻して説明します。

数え直しで誤答を直す

誤答として、H₂Oの各原子の周囲の数を足し、2 + 8 + 2 = 12個を価電子の総数とするものがあります。図3のように、その12個には2組の共有電子対がそれぞれ2回入っています。重複した4個を引くと実際の総数は8個です。逆に、総数8個を各原子の周囲の数と取り違えてOが8個を満たさないとするのも誤りです。

図3では周囲の合計から重複分を引いています。答案ではまず点を直接数え、それから各原子の周りを別に数えると、どちらの帳簿を扱っているか明確になります。単結合の線を電子1個として数えた場合も総数が小さくなるので、線1本を2個に戻して点検します。

別の誤りは、CO₂の結合を2か所と数えた後、共有電子対も2組とすることです。二重結合は1か所に2組あるので4組です。また、NH₄⁺で電荷の正負を見ずに電子を1個加えると10個となり、4本の結合を置いた後に余りが出ます。電荷が正なら中性原子の合計から引き、負なら加えるという操作を粒子全体に対して1回行います。

電子式は測定写真ではなく、結合と電子の数を表す模型です。たとえば学校の指導の下で分子を模型で組み立てる活動では、原子の色と結合の棒を記録し、電子対の数は別の帳簿で確かめます。棒の配置を平面に描いた向きだけから実際の立体形状を決めたり、棒の長さから実測値を読み取ったりはできません。記録時に二重結合の棒を1本と見落とした場合は、総数だけでなく各原子の周囲の数も照合すると不足に気づけます。

電子式を選択肢から選ぶ際には、点の位置が左右反転しているかどうかより、どの原子の間に何組あるかを見ます。非共有電子対を原子の上下左右のどこに描いても、同じ原子に属することが明確なら、電子の数え方は変わりません。一方、点が原子間にあるか原子の外側にあるかは、共有と非共有を区別するうえで重要です。

答えが合わない場合は、最初から点を動かし続けるより、価電子の総数を余白に残して各操作の残数を記録します。残数が負になる配置は、必要な電子より多く置いたことを意味します。残数が0でも原子の周囲が不足していれば、電子を新たに足すのではなく、非共有対を共有対に移せるかを調べます。

練習問題

次の問題はすべて、H、C、N、O、Fの価電子数を順に1、4、5、6、7とし、Hの周囲は2個、それ以外は8個を満たす電子式を考えます。個数と組数は整数で答えてください。

1. F₂の共有電子対と非共有電子対はそれぞれ何組ですか。各Fの周囲の数も示してください。
2. CH₄ではCが4個のHとそれぞれ結合します。価電子の総数と共有電子対の組数を求め、C上の非共有電子対の組数を答えてください。
3. N₂の2原子間の結合の種類を答え、共有電子対と非共有電子対の組数を求めてください。
4. H₃O⁺はOが3個のHと結合したイオンです。価電子の総数と、共有電子対および非共有電子対の組数を求めてください。
5. ある粒子はCとOを1個ずつ含み、電荷はありません。両原子の周囲が8個になる電子式において、共有電子対と非共有電子対をそれぞれ何組置きますか。総数と各原子の周囲を確かめてください。

練習の解答

1. 価電子は7・2 = 14個です。F-F間に共有電子対1組を置くと12個残り、各Fに非共有電子対を3組ずつ置けます。答えは共有1組、非共有6組です。各Fの周囲は共有2個と非共有6個の計8個、全体は2 + 12 = 14個です。

2. 価電子の総数は4 + 1・4 = 8個です。4本のC-H結合に全8個を使うので、共有電子対は4組、C上の非共有電子対は0組です。Cの周囲に8個、各Hに2個があり、4組を全体で数えれば8個に戻ります。

3. 価電子は5・2 = 10個、必要な周囲の合計は8・2 = 16個です。共有電子対は(16 − 10)/2 = 3組で、三重結合です。残りの4個を各Nに1組ずつ置くので非共有電子対は計2組です。各Nの周囲は共有6個と非共有2個で8個、全体では6 + 4 = 10個です。

4. 正電荷を考慮すると、価電子の総数は6 + 1・3 − 1 = 8個です。O-H間の共有電子対が3組で6個を使い、残り2個はO上の非共有電子対1組です。Oの周囲は6 + 2 = 8個、各Hは2個です。全体も6 + 2 = 8個に戻ります。

5. 価電子は4 + 6 = 10個、必要な周囲の合計は16個です。(16 − 10)/2 = 3組を共有し、残る4個を各原子に1組ずつ置きます。共有電子対3組、非共有電子対2組です。各原子の周囲は6 + 2 = 8個、全体は6 + 4 = 10個です。原子ごとの電荷の偏りを別途表す書き方もありますが、この問題で指定した全体の電荷は0です。

手元に残す要点

価電子の総数は原子の価電子を足し、粒子全体の電荷で補正します。
共有電子対は全体では1組、両端の原子の周囲ではそれぞれ1組です。
多重結合の線1本が共有電子対1組に当たります。
配位結合も生成後は共有電子対として数えます。
完成したら総数と各原子の周囲を別々に照合します。

個別指導で確かめるときは、まず本人に電子を点で描いてもらい、総数を数えた印と各原子の周囲を囲む線を別にします。数が合わなければ、電荷の補正、結合線を2個と見たか、非共有電子対を落としていないかを順に調べます。正しい組数を暗記していても由来を説明できない場合は、結合前の電子対を指しながら配位結合の前後を追います。数える対象を切り替えることが、電子式の読み違いを防ぎます。