高校化学 分子の形と極性—結合の極性が打ち消される条件を立体で考える｜武蔵野個別指導塾

CO₂とH₂Oの結合の向きと対称性から考えるのは、分子の極性です。

よくあるのは、結合が極性をもてば分子も必ず極性をもつ、と高校生が答案に書く場面です。結合の両端で電子の偏りがあっても、分子全体では別の結合による偏りが反対向きにはたらくことがあります。分子式を見て結合の数を数えた後、各結合の向きを立体的に並べてみましょう。偏りが残るかどうかは、矢印の長さと向きを合わせて初めて判断できます。

要点（結論から）

• 結合の極性は共有電子の偏り、分子の極性は分子全体の偏りです。
• 矢印の和は大きさと向きの両方で決まります。
• 中心原子の非共有電子対も形を考えるときに数えます。

問題で問われる3つの判断

1つ目は、電子式や結合の数から分子の形を選ぶ問題です。中心原子の周囲で共有電子対と非共有電子対が互いに反発するという考え方を使います。原子の位置で表す分子の形と、電子対の広がる方向は区別します。

2つ目は、各結合の極性を示した上で、分子全体の極性を判断する問題です。結合の極性があることは出発点であり、結論ではありません。同じ強さの矢印でも、向かい合えば合計は0、折れ曲がっていれば一般に0にはなりません。

3つ目は、同じ形でも周囲の原子を入れ替えたときの比較です。形が対称でも、異なる結合の偏りの大きさが同じとは限りません。形と結合の種類を両方調べることが必要です。以下では代表的な分子と、条件を明示した模型を扱います。実際の結合角の測定値を暗記する必要はありません。

電子の偏りを矢印にする

共有結合では2つの原子が電子対を共有しますが、電子を引きつける強さが異なると、共有電子対は一方に偏ります。電子を引きつける強さを電気陰性度と呼びます。たとえばOとHの結合では、共有電子はO側に偏り、O側が部分的に負、H側が部分的に正になります。このような結合の電荷の偏りが結合の極性です。

偏りの向きと大きさを整理するため、ここでは正側から負側へ矢印を描きます。別の記号の流儀では矢印の表し方が異なることがあるので、問題に凡例があればそれに従います。矢印は電子がその方向へ流れ続けるという意味ではありません。分子全体の双極子モーメントは電荷の分布を向きと大きさで表す量で、矢印の和が0でなければ極性分子、0なら無極性分子です。

図1のように同じ長さの矢印が一直線上で反対を向くと、足し合わせた結果は0です。一方、同じ長さでも折れ線状に配置した矢印は、横向きの成分が相殺されても縦向きの成分が残ります。図は向きの模式図であり、矢印の長さは実測値ではありません。

図1の左右では、結合の極性があるという条件は共通です。違うのは空間における向きで、直線形では反対向き、折れ線形では反対向きになりません。したがって、結合の数だけから分子の極性を決めることはできません。

形を考えるときは、中心原子の周りの電子対ができるだけ離れる配置を出発点にします。2方向に結合があり非共有電子対がないCO₂は直線形です。二重結合も形を考える際には一方向の電子の広がりとして数えます。Cから両端のOへの結合の偏りは同じ大きさで反対向きになり、全体では打ち消されます。

H₂OではOの周りに2組の結合に関わる電子対と2組の非共有電子対があります。電子対は互いに反発し、原子の並びは折れ線形になります。2本のO側への矢印は反対向きではなく、合計が残ります。非共有電子対は原子ではないため、分子の形の名前を付けるときに頂点の原子として数えません。ただし形に影響するので、電子式から省いてはいけません。

NH₃ではNの周りに3方向の結合と1組の非共有電子対があり、原子の並びは三角錐形です。CH₄はCの周りの4方向が等価で正四面体形です。HからCへ向く4つの結合の偏りを考えても、対称な配置で合計は0です。結合の極性の有無の扱いは近似によって説明が異なる場合がありますが、この対称な分子全体の極性は0と判断します。

基本例題：直線と折れ線を比べる

問題。CO₂とH₂Oについて、C-O結合とH-O結合の電子はそれぞれO側に偏るものとします。それぞれの形と、分子全体が極性をもつかを答え、結合の向きに触れて理由を述べてください。

解答。CO₂は直線形で無極性、H₂Oは折れ線形で極性をもちます。CO₂は中心のCから両側のOに向かう同じ大きさの偏りが反対向きです。H₂Oは2本のHからOへの偏りが折れ曲がっており、合成するとO側へ残ります。

図2のように、両分子ともO側に向けて結合の矢印を書きます。CO₂で矢印が逆向きでも、各矢印はそれぞれの結合の正側から負側へ向かっています。H₂Oでは2本を同じ始点に平行移動して足すと、中央の方向に合成矢印ができます。

図2は原子の並びと矢印の関係を表した模式図です。矢印の長さで異なる分子間の偏りの実測値を比較する図ではありません。答えを元に戻して、CO₂の両端が同じOであること、H₂Oの2本が一直線上でないことを確認します。

標準例題：正四面体の置換

問題。正四面体の中心にC、その4頂点に原子がある模型を考えます。CH₄では4本のC-H結合の偏りが等しく、C側に向くとします。CH₃Clでは3本のC-H結合の偏りの大きさをそれぞれa、CからClに向かう結合の偏りをbとし、aとbは正とします。各分子の極性の有無を答え、CH₃Clについて残る偏りの向きも示してください。正四面体の形は置換後も変わらないものとします。

解答。CH₄は無極性、CH₃Clは極性をもち、合成した偏りはCからClの方向です。正四面体の中心から4頂点への等しい長さの矢印の和は0です。Clの頂点への単位ベクトルをu、Hの3頂点への単位ベクトルをv₁、v₂、v₃とすると、対称性から次の関係です。

u + v₁ + v₂ + v₃ = 0
v₁ + v₂ + v₃ = -u

CH₄では4本が等しく中心向きなので、和も0です。CH₃ClではHからCへ向かう3本が-a・v₁、-a・v₂、-a・v₃、CからClへの1本がb・uです。したがって合成は次のとおりです。

-a・(v₁ + v₂ + v₃) + b・u
= (a + b)・u

aとbは正なので合成は0ではありません。向きを元の結合へ戻すと、3本のC-Hによる合成もCl側を向き、C-Clによる偏りと加わります。紙の上に4本を十字に描いて反対向き同士を消すと、正四面体の立体配置を別の形に変えてしまいます。

発展例題：角度と大きさの両方を見る

問題。中心から両端へ向かう2つの結合の偏りを、それぞれ大きさpの矢印で表します。2本のなす角が120°である平面模型について、合成の大きさをpを用いて答え、方向を示してください。次に、なす角を180°のまま一方の大きさだけを2pにした模型ではどうなるか答えてください。pは正とします。

解答。120°の場合、合成の大きさはp、方向は2本の矢印のなす角の二等分線に沿って両端側へ向かいます。二等分線方向と、それに垂直な方向に分けます。各矢印は二等分線となす角が60°なので、垂直成分は互いに逆向きで消え、二等分線方向にはそれぞれp/2が残ります。

合成の大きさ = p/2 + p/2
= p

別解として、2本の矢印を隣り合う辺とする平行四辺形を描きます。なす角が120°で辺が等しいため、合成を表す対角線は各辺と同じ長さになります。二等分線上にあることも対称性から確かめられます。元の2本へ戻すと、それぞれの横成分は反対で同じ大きさなので、横方向に合成が残らないことと整合します。

180°の場合は、反対向きの2pとpの差が残り、大きさpで大きい矢印の向きです。直線形なら必ず無極性とする判定は、両端の偏りが等しいという条件を落としています。逆に、2本が等しいというだけでも、向きが反対でなければ打ち消されません。実際の分子では結合角や各結合の偏りを問題で与えた条件のもとで判断します。

間違いを矢印から直す

誤答「CO₂には極性をもつ結合が2本あるので、分子も極性をもつ」。理由は、個々の結合の偏りを見つけたところで判断を止めていることです。図3のように2本を反対向きに描けば、同じ大きさで打ち消されることが見えます。修正した答案には、直線形であることと両方が同じC-O結合であることを添えます。

図3の矢印は分子の中の2つの結合を別々に示しています。分子全体の偏りを表す矢印が消えるのであって、各結合の偏りが消滅するわけではありません。逆にH₂Oを「Hが2個だから相殺」とする誤答も、形を確認すれば直せます。

もう1つの誤りは、NH₃の3本の結合を紙面上の平面に等間隔で描き、無極性とすることです。中心のNには非共有電子対があり、原子の形は三角錐形です。底面に平行な成分は対称性で消えますが、底面に垂直な成分は同じ向きに残ります。立体模型を回して、3本を同一平面に押しつぶしていないか点検します。

形を調べる実験記録を考えるときは、観測値と模型からの推論を分けます。学校の指導の下で得た分光などの観測を用いて構造を検討する場合、測定条件、装置の分解能、複数の結果が整合するかが重要です。1回の信号の強弱から直ちに結合角を断定せず、誤差や別の説明の可能性を確認します。模型図の見かけの角度を分度器で測って実測値とすることもできません。

例えば、横軸が結合角、縦軸が同じ大きさpの2本の矢印の合成の大きさである模型のグラフを読むとします。角度0°では2p、120°ではp、180°では0です。縦軸は個々の結合の極性ではなく合成の大きさなので、180°で0になっても各結合の偏りはpのままです。軸の量を読み違えると、分子の極性と結合の極性を同一視する誤答につながります。

練習：形と向きを自分で選ぶ

次の5問では、矢印は正側から負側に向けます。定性問題は理由も書き、計算は与えられた量を用いて正確な値で答えてください。

1. BF₃はBを中心に3個のFが同一平面内で等間隔にある形とします。3本のBからFへの偏りは同じ大きさです。分子全体の極性の有無を理由とともに答えてください。
2. BeCl₂は直線形で、両方のBe-Cl結合の偏りは同じ大きさでCl側に向きます。分子全体の極性を答え、結合の極性との違いを述べてください。
3. 中心から2方向へ向く同じ大きさqの矢印が直角をなす平面模型を考えます。qは正です。合成の大きさと向きをqを用いて答えてください。
4. 直線上で反対向きの2つの矢印の大きさが3rと5rです。rは正です。合成の大きさと向きを答え、両方が残ることを元に戻して確かめてください。
5. 正四面体の中心から4頂点に向かう等しい大きさの矢印を考えます。1本を取り除くと、残り3本の合成は取り除いた矢印に対してどの向きで、どの大きさになりますか。対称性を使って説明してください。

練習の答えと考え方

1. 無極性です。3本の同じ長さの矢印は同じ平面で120°ずつ離れます。1本に平行な方向では残り2本の成分の和がその1本と反対向きで同じ大きさになり、垂直方向の成分は互いに消えます。3本ともBからFを向くという条件に戻しても、特定のF側に合成が残りません。

2. 無極性です。2本の結合はそれぞれBeからClへ偏りをもちますが、直線上で等しい大きさの反対向きなので合成は0です。両端がClであることが大きさを等しいとする与件に対応します。結合の偏りが0という意味ではありません。

3. 大きさは√2・q、向きは2本のなす角の二等分線に沿って両矢印の間です。直角三角形の2辺がqなので、三平方の定理から合成の大きさの2乗はq² + q² = 2q²です。答えを各矢印の方向に分けると、それぞれqとなり元の条件に戻ります。

4. 大きさは2r、向きは5rの矢印と同じです。反対方向を差し引いて5r − 3r = 2rです。合成2rに反対向きの3rを加えるのではなく、5rの向きの成分として3rを戻すと5rとなり、大小と向きが元の条件に合います。

5. 取り除いた矢印と反対向きで、同じ大きさです。4本の和は対称性から0なので、残り3本の和を取り除いた1本に加えると0になります。取り除いた矢印を元に戻せば、合成が0に戻ることも確かめられます。3本を平面上に描き直してしまうと、この立体の条件を失います。

要点を持ち帰る

• 結合の極性は共有電子の偏り、分子の極性は分子全体の偏りです。
• 矢印の和は大きさと向きの両方で決まります。
• 中心原子の非共有電子対も形を考えるときに数えます。
• 対称な形でも結合の種類が異なれば、打ち消しを改めて調べます。

答案で迷ったときは、まず電子式に非共有電子対が残っているか、次に原子を立体に配置できているかを確かめます。個別指導では、本人が描いた各矢印の始点と向きを見て、結合の偏りと合成の矢印を区別して説明できるかを確かめます。図の対称性を言葉で根拠にできれば、未知の模型にも同じ考えを移せます。立体に並べた矢印の和が、分子の極性を決めます。