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物質の構成と化学結合の問題

難易度 3共通テストレベル高校化学物質の構成と化学結合

次の 12 種類の分子のうち、極性分子であるものは何種類あるか。整数で答えよ。

$H_{2} O$ , $CO_{2}$ , $NH_{3}$ , $CH_{4}$ , $CH_{2} Cl_{2}$ , $CCl_{4}$ , $BF_{3}$ , $HCN$ , $H_{2} S$ , $N_{2}$ , $HCl$ , $C_{2} H_{4}$ （エチレン）

ただし、分子はいずれも気体の状態の 1 分子で考え、分子の形は電子対どうしの反発（電子対反発則）から決まるものとする。なお、 $BF_{3}$ のホウ素原子のまわりの価電子は 6 個で、ホウ素原子には非共有電子対がない。電気陰性度は $F > O > Cl \approx N > S \approx C > H > B$ の順とし、異なる元素の原子間の共有結合にはすべて極性があるものとする。

この問題で使うもの

電子対反発則と分子の形（説明と入口の問題）
電気陰性度と分子の極性（説明と入口の問題）
電子式と共有電子対・非共有電子対（説明と入口の問題）

この問題を解けるようになるまで（6 技能）

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ヒント

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ヒント 1

それぞれの分子について、結合に極性があるか、分子の形によって結合の極性が打ち消し合うかを考えます。

ヒント 2

中心原子のまわりの共有電子対と非共有電子対の数から形を決めます。非共有電子対をもつ中心原子（O, N, S）の分子は折れ線形や三角錐形になり、対称な形（直線形・平面正三角形・正四面体形）で同じ結合ばかりなら極性は打ち消し合います。

ヒント 3

対称な形（直線形・平面正三角形・正四面体形）でも、中心原子に異なる原子が結合している分子では、結合の極性の向きを 1 つずつ確かめましょう。

答えと解説

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6

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解説を読む

分子全体として極性があるかどうかは、各結合の極性（電荷のかたより）が分子の形によって打ち消し合うかどうかで決まる。中心原子のまわりの電子対（共有電子対・非共有電子対）が互いに反発してできるだけ離れるように配置されることから、分子の形を考える。

$H_{2} O$ ：O のまわりに共有電子対 2 組と非共有電子対 2 組があり、折れ線形。2 つの O–H 結合の極性は打ち消し合わないので極性分子。
$CO_{2}$ ：C=O 二重結合が 2 つで、C に非共有電子対はなく直線形。2 つの C=O 結合の極性は逆向きで打ち消し合うので無極性分子。
$NH_{3}$ ：N のまわりに共有電子対 3 組と非共有電子対 1 組があり、三角錐形。結合の極性は打ち消し合わないので極性分子。
$CH_{4}$ ：正四面体形で、4 つの C–H 結合の極性は打ち消し合うので無極性分子。
$CH_{2} Cl_{2}$ ：C を中心とする四面体形だが、C–H と C–Cl の極性の大きさ・向きが異なり、打ち消し合わないので極性分子。
$CCl_{4}$ ：正四面体形で、4 つの C–Cl 結合の極性は打ち消し合うので無極性分子。
$BF_{3}$ ：B に共有電子対が 3 組あり非共有電子対はないので、平面正三角形。3 つの B–F 結合の極性は打ち消し合うので無極性分子。
$HCN$ ：C に非共有電子対はなく、H–C≡N の直線形。電気陰性度は N > C > H なので、C–H 結合では電子が C の側に、C≡N 結合では電子が N の側にかたよる。どちらの結合でも電子は H の側から N の側へ向かってかたよっており、2 つの結合の極性は同じ向きで足し合わされる。したがって打ち消し合わず、極性分子。
$H_{2} S$ ： $H_{2} O$ と同じく S のまわりに非共有電子対が 2 組あり折れ線形。S–H 結合の極性は打ち消し合わないので極性分子。
$N_{2}$ ：同じ元素の原子どうしの結合で、結合に極性がないので無極性分子。
$HCl$ ：異なる原子からなる二原子分子で、H–Cl 結合に極性があるので極性分子。
$C_{2} H_{4}$ ：すべての原子が同一平面上にあり、分子は中心について対称な形をしている。4 つの C–H 結合の極性は打ち消し合い、C=C 結合には極性がないので無極性分子。

以上より、極性分子は $H_{2} O$ , $NH_{3}$ , $CH_{2} Cl_{2}$ , $HCN$ , $H_{2} S$ , $HCl$ の $6$ 種類である。

別解

各分子の形と極性を判定する。

$H_{2} O$ : 折れ線形、結合の極性が打ち消されない。極性分子
$CO_{2}$ : 直線形、C=O の極性が打ち消し合う。無極性分子
$NH_{3}$ : 三角錐形。極性分子
$CH_{4}$ : 正四面体形。無極性分子
$CH_{2} Cl_{2}$ : 四面体形だが C-H と C-Cl で結合の極性が異なり打ち消されない。極性分子
$CCl_{4}$ : 正四面体形。無極性分子
$BF_{3}$ : B のまわりは電子対 3 組（非共有電子対なし）で正三角形（平面）。結合の極性が打ち消し合う。無極性分子
$HCN$ : 直線形だが H-C と C≡N の極性の向きが打ち消し合わない（H 側が正、N 側が負）。極性分子
$H_{2} S$ : 折れ線形。極性分子
$N_{2}$ : 同種の原子 2 個からなる二原子分子で結合に極性がない。無極性分子
$HCl$ : 異種の二原子分子。極性分子
$C_{2} H_{4}$ : 平面形で対称。無極性分子

極性分子は $H_{2} O$ , $NH_{3}$ , $CH_{2} Cl_{2}$ , $HCN$ , $H_{2} S$ , $HCl$ の 6 種類。検算: 無極性は $CO_{2}$ , $CH_{4}$ , $CCl_{4}$ , $BF_{3}$ , $N_{2}$ , $C_{2} H_{4}$ の 6 種類で、合計 $6 + 6 = 12$ となり一致する。

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