高校化学基礎 共有結合と電子式—共有電子対と非共有電子対を図に書き分ける｜武蔵野個別指導塾

水や二酸化炭素の電子式を使い、共有電子対と非共有電子対の配置を価電子の総数から点検する道筋を示します。

よくあるのは、分子の電子式で原子の間に電子を並べたところで、結合に使わない電子対を書き落とす場面です。原子同士がつながった絵は完成したように見えても、元の価電子の数と比べると点が足りません。線で結合を表す構造式と、点で電子を表す電子式の役割を分け、原子の周囲と分子全体の両方から点検しましょう。

どの作業を求められているか

出方の1つは、分子式から電子式を書く問題です。原子の数をそろえ、価電子を数え、原子間の共有電子対と、それ以外の非共有電子対を配置します。点を描いて終わりにせず、元の電子の合計に戻るか確認することが必要です。

もう1つは、電子式と構造式を対応させる問題です。原子間にある電子対を線に置き換えると、単結合、二重結合、三重結合を見分けられます。構造式の線は電子1個ではなく、共有電子対1組を表します。非共有電子対は通常の構造式では省かれるため、線の数から電子の総数を直接読み取ることはできません。

さらに、描かれた式の誤りを直し、理由を説明する問題もあります。原子の周囲の電子数だけでなく、分子全体に描いた電子の数も調べると、余分な点と不足した点を区別できます。以下では典型的な分子の電子式を扱い、配位結合はアンモニウムイオンの基本的な生成までに限ります。

点と線が表すもの

共有結合は、原子が電子対を共有することで生じる結合です。共有される2個の電子を共有電子対といい、結合に使われず、ある原子に属する電子対を非共有電子対といいます。電子式では価電子を点で示します。点の並べ方には向きの違いがありますが、どの原子の間に何組あり、どの原子に何組残るかが読み取れることが大切です。

図1は水分子を模式的に示します。酸素原子の価電子は6個、水素原子の価電子はそれぞれ1個です。酸素と各水素の間の2個ずつが共有電子対で、酸素の上下にある2組が非共有電子対です。図1のように、原子間の点と原子の外側の点を区別すると、同じ2個の電子でも役割の違いが見えます。

共有電子対は、それに接する両方の原子の周囲の電子として数えます。水では酸素の周囲に共有電子4個と非共有電子4個があり、合計8個です。各水素の周囲には共有された2個があります。ただし分子全体の電子数を数えるときは、1組の共有電子対を2度数えません。水の価電子の合計は6 + 1 + 1 = 8個であり、図中の点も8個です。

典型的な分子では、水素は周囲に2個、それ以外のここで扱う原子は8個の電子を配置することを目安にします。これは配置を検討するための目安であり、どんな粒子にも無条件に当てはめる規則として使わないでください。例えばアンモニウムイオンでは電荷も考慮します。電子を表す点と原子を表す記号を混同せず、分子式が指定する原子の個数も維持します。

原子間の共有電子対が1組なら単結合、2組なら二重結合、3組なら三重結合です。構造式ではそれぞれ1本、2本、3本の線で表します。共有電子対が増えると、原子間に配置する電子はそれぞれ2個、4個、6個です。単結合と呼ぶときの「単」は原子が1個という意味ではありません。

基本例題：二酸化炭素の電子を配る

問題：炭素の価電子を4個、酸素の価電子を6個として、二酸化炭素 CO₂ の電子式と構造式を書いてください。また、共有電子対と非共有電子対の組数を整数で答えてください。原子の並びは O、C、O とします。

まず、分子全体に配置する価電子を数えます。炭素1個と酸素2個なので、途中を省かずに書くと次のようになります。

炭素が出す電子：4 × 1 = 4個
酸素が出す電子：6 × 2 = 12個
価電子の合計：4 + 12 = 16個

次に、両端の酸素と中央の炭素の間にそれぞれ1組ずつ置いてみます。この時点で使った電子は2 × 2 = 4個、残りは16 − 4 = 12個です。両端の酸素にそれぞれ3組ずつ置けば、残りの12個を使い切ります。しかし、このままでは炭素の周囲は共有電子4個で、8個に届きません。

そこで各酸素の非共有電子対を1組ずつ、炭素との間の共有電子対に移します。点を新たに足すのではなく、すでに数えた電子を配置し直します。各原子間には2組の共有電子対があり、それぞれ二重結合です。各酸素には非共有電子対が2組ずつ残ります。

図2のように、左右の酸素の上下に各2個の点を置き、炭素との間には各4個の点を置きます。図2に対応する構造式は O=C=O です。線4本のそれぞれが共有電子対1組を表すため、共有電子対は4組です。両端の非共有電子対も合計4組です。

答えを条件に戻して確かめます。共有電子は4組 × 2個 = 8個、非共有電子も4組 × 2個 = 8個なので、合計16個です。これは最初の価電子の合計と一致します。炭素の周囲は左右の共有電子4個ずつで8個です。各酸素も共有電子4個と非共有電子4個で8個です。Oが2個、Cが1個という原子数も変わっていません。

電子を共有するとき、各原子が必ず同じ数の電子を点として提供したかを、完成した電子式の点の形から区別する必要はありません。ここで確認するのは電子の総数と配置です。線に直す段階で酸素の非共有電子対を線にしないことも、式を読み違えないための要点です。

条件が変わるとき：イオンの電子数

問題：窒素の価電子を5個、水素の価電子を1個とします。アンモニア NH₃ が水素イオン H⁺ を受け取ってアンモニウムイオン NH₄⁺ になるとき、生成後の電子式の共有電子対と非共有電子対をそれぞれ何組と数えるか、整数で答えてください。また、配位結合ができる前に電子対を与える原子を答えてください。

中性のアンモニアでは、価電子の合計は5 + 1 × 3 = 8個です。窒素と3個の水素の間に共有電子対を1組ずつ置くと6個を使い、残り2個は窒素上の非共有電子対1組です。窒素の周囲は共有電子6個と非共有電子2個で8個、各水素の周囲は2個になります。

水素イオン H⁺ は水素原子が電子を1個失った粒子なので、ここで数える電子を持ちません。窒素上の非共有電子対が H⁺ と共有され、新しい結合をつくります。共有電子対をつくる2個を一方の原子がともに出してできる結合を配位結合といいます。この場合、電子対を与えるのは窒素原子です。

生成後は窒素と4個の水素の間に共有電子対が各1組あるので、共有電子対は4組、窒素上の非共有電子対は0組です。全体を角括弧で囲み、右上に全体の電荷 + を付けます。電子式の記号で書けば、中心のNから4方向のHにそれぞれ点2個を挟みます。生成した4本のNとHの結合は等価であり、完成した式で特定の1本だけを別物として数えません。

別の数え方でも検算します。中性の原子を基準にすると、5 + 1 × 4 = 9個です。全体が1価の陽イオンなので電子を1個引き、9 − 1 = 8個です。共有電子対4組に含まれる電子は4 × 2 = 8個で一致します。窒素の周囲には8個、各水素の周囲には2個があり、原子数もNが1個、Hが4個です。正電荷を窒素だけの電子不足と考えず、粒子全体の電荷として書くのが分かれ目です。

間違った点の数をどう直すか

水の電子式を H:O:H と書いて完成としたとします。原子の間に共有電子対が2組あるため、水素と酸素はつながっています。しかし点は4個しかなく、価電子の合計8個に4個足りません。酸素の上下に非共有電子対を1組ずつ加えると、点は8個になり、酸素の周囲も8個になります。図3のように、原子間の点を増やすのではなく、酸素上に残る電子を補います。

別の誤りは、二酸化炭素の O=C=O を見て「電子は4個」と答えることです。線1本は電子対1組なので、共有電子だけで8個あります。さらに電子式には各酸素の非共有電子があり、分子全体では16個です。線の数、共有電子対の数、全電子数を同じものとして扱わないようにしましょう。

一方、どの原子の周囲も8個にしたいからと、電子を無制限に追加するのも誤りです。原子ごとの周囲を数える確認と、最初に求めた全電子数の確認は別々に必要です。数が合わなければ、共有電子対を重複して数えていないか、電荷の分を加減したか、非共有電子対を書き落としていないかを順に調べます。

時間が足りないときも、先に原子の並びと価電子の合計を書き、残り時間で電子を配置します。未完成の図から無理に正答と判断せず、どの原子に何個足りないかを余白に残せば、見直す場所が明確です。与えられた原子数や価電子数が欠けている問題では、勝手な値を作らず条件を確認します。

自分で描いて確かめる

次の問題は、指定された価電子数を用いて解いてください。電子式では点の位置関係がわかるように描き、組数は整数で答えます。

1. フッ素 F の価電子は7個です。フッ素分子 F₂ の電子式と構造式を書き、共有電子対と非共有電子対の組数をそれぞれ求めてください。
2. 水素 H の価電子は1個、塩素 Cl の価電子は7個です。塩化水素 HCl の電子式と構造式を書き、塩素上の非共有電子対の組数を求めてください。
3. 窒素 N の価電子は5個です。窒素分子 N₂ の電子式と構造式を書き、結合の種類と分子全体の非共有電子対の組数を答えてください。
4. 炭素 C の価電子は4個、水素 H の価電子は1個です。メタン CH₄ の電子式と構造式を書き、炭素上の非共有電子対の組数と分子全体の共有電子対の組数を答えてください。

答えと戻して確かめる手順

1. 価電子は7 × 2 = 14個です。FとFの間に共有電子対1組を置き、各Fの外側に非共有電子対3組ずつを置きます。構造式は F-F、共有電子対は1組、非共有電子対は合計6組です。点の数は2 + 6 × 2 = 14個で元に戻り、各Fの周囲は共有電子2個と非共有電子6個の計8個です。

2. 価電子は1 + 7 = 8個です。HとClの間に共有電子対1組、Cl上に非共有電子対3組を置きます。構造式は H-Cl です。点は2 + 3 × 2 = 8個で、Hの周囲は2個、Clの周囲は8個です。Cl上に3組残すことで、与えられた原子の価電子数の合計と矛盾しません。

3. 価電子は5 × 2 = 10個です。NとNの間に共有電子対3組、各Nの外側に非共有電子対1組ずつを置きます。構造式は N≡N で、三重結合です。非共有電子対は合計2組です。3 × 2 + 2 × 2 = 10個であり、各Nの周囲は共有電子6個と非共有電子2個の計8個になります。原子も2個のままです。

4. 価電子は4 + 1 × 4 = 8個です。Cを中心にHを4個配置し、各C-H間に共有電子対を1組置きます。構造式はCから4方向のHへ線を1本ずつ引いたものです。炭素上の非共有電子対は0組、共有電子対は4組です。4 × 2 = 8個で元の合計と一致し、Cの周囲は8個、各Hの周囲は2個です。Hの数を数え直すと4個です。

答えを描く際に点を置く場所が迷わしい場合は、最初に原子の並びと共有電子対を記し、次に残りの点を数えて配置します。最後に分子全体を1回、各原子の周囲をそれぞれ1回数えると、同じ電子を2回数えたことによる誤判定を避けられます。

覚えておくこと

共有電子対は原子間、非共有電子対は原子上に置きます。
線1本は共有電子対1組で、電子2個に対応します。
全体の電子数と各原子の周囲を別々に数えます。
イオンでは電荷に応じて電子数を加減します。

どこで止まったかを見つける

点の合計が合わないなら、まず価電子の足し算と電荷の扱いを確認します。合計は合うのに原子の周囲が足りないなら、点を増やす前に非共有電子対を共有電子対へ移せるかを調べます。構造式は書けるのに電子式で点が減る場合は、線に表れない非共有電子対を数える練習が必要です。

個別指導で確かめるなら、描いた図の点を指しながら「この2個はどの原子の周囲に数えるか」「全体では何回数えるか」と説明してみましょう。答えが合っていてもその理由を言えなければ、別の原子数や電荷の問題で手が止まりやすくなります。共有する電子と残る電子の両方を数えれば、電子式の点は根拠を持って置けます。