電気陰性度と分子の極性

結合の極性と分子の形から、分子が極性分子か無極性分子かを判定できる

前提

電子対反発則と分子の形（高校化学物質の構成と化学結合）

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電子対反発則と分子の形（高校化学物質の構成と化学結合）

説明

共有結合でできた分子には、分子全体として電荷のかたよりをもつもの（極性分子）と、もたないもの（無極性分子）があります。この技能では、原子が共有電子対を引きつける強さ（電気陰性度）から結合ごとの電荷のかたよりを考え、それを分子の形と組み合わせて、分子が極性分子か無極性分子かを判定できるようになります。水に溶けやすいかどうかや、沸点の高さなどを考えるときの手がかりになります。

なぜそうしてよいのか

共有結合している 2 つの原子は共有電子対を共有していますが、原子の種類によって共有電子対を自分の側に引きつける強さが違います。この強さを数値で表したものを電気陰性度といいます。貴ガスを除くと、周期表の右上の元素ほど大きく、フッ素 F が最大です。おもな値は H 2.2、C 2.6、N 3.0、Cl 3.2、O 3.4、F 4.0 です。電気陰性度の異なる原子どうしの結合では、共有電子対が電気陰性度の大きい原子のほうへかたより、その原子はわずかに負（ $δ -$ ）、相手はわずかに正（ $δ +$ ）を帯びます。これを結合の極性といいます。同じ原子どうしの結合（ $H - H$ など）には極性がありません。

結合の極性は「どちらの向きに、どれくらい電子を引っぱっているか」なので、 $δ +$ の原子から $δ -$ の原子へ向かう、向きと大きさをもつ矢印で表せます。分子全体のかたよりは、中学で学んだ力の合成と同じように、分子中のすべての矢印を合成したものになります。 $O = C = O$ （直線形）では、2 つの $C = O$ の矢印が同じ大きさで正反対を向くので打ち消し合い、分子全体ではかたよりがなくなります。正四面体形の $C H_{4}$ ・ $CC l_{4}$ や平面三角形の $B F_{3}$ のように、同じ結合が対称に並ぶ形でも同様に打ち消し合います。

一方、折れ線形の $H_{2} O$ では 2 つの矢印のなす角が $18 0^{\circ}$ ではないので打ち消し合わず、分子全体にかたよりが残ります。三角錐形の $N H_{3}$ では、N を上の頂点、3 つの H を下の底面に置くと、3 つの $N - H$ の矢印はどれも H から N へ向かい、上向きの成分をもちます。そのため、合成すると横向きの成分は打ち消し合っても上向きの成分が残ります。つまり、結合に極性があっても、分子の形によって分子全体の極性が決まるのです。

手順

分子の中の結合をすべて挙げ、結合する 2 原子の電気陰性度を比べて、極性があるかどうかと、どちらが $δ -$ になるかを調べる。
どの結合にも極性がなければ（同じ原子どうしの結合だけなら）、無極性分子と判定する。
極性のある結合があれば、分子の形（直線形・折れ線形・三角錐形・正四面体形・平面三角形）を判定する。二原子分子は形を考えるまでもなく、結合に極性があれば極性分子。
形の中で極性の向きを表す矢印を合成する：直線形・正四面体形・平面三角形で、中心原子に同じ原子がすべて同じ結合でついていれば打ち消し合って無極性分子。折れ線形・三角錐形、または中心原子についた原子が混ざっている場合は打ち消し合わず極性分子。

例題

二酸化炭素 $C O_{2}$ 分子は極性分子か無極性分子か。次のア・イから選び、記号で答えよ。電気陰性度は C 2.6、O 3.4 とする。
ア極性分子　イ無極性分子

例題の解答

【手順 1】 $C O_{2}$ の結合は 2 つの $C = O$ である。電気陰性度は C 2.6 < O 3.4 なので、どちらの結合にも極性があり、O が $δ -$ 、C が $δ +$ になる。

【手順 2】極性のある結合があるので、無極性分子とはまだ決められない。

【手順 3】電子式 $O = C = O$ で、中心原子 C のまわりの電子対のまとまりは二重結合 2 つの 2 まとまり（C に非共有電子対はない）なので、分子の形は直線形。

【手順 4】直線形で、中心の C に同じ O 原子が同じ二重結合で 2 つついている。2 つの $C = O$ の矢印は C から左右の O へ向かい、大きさが同じで正反対の向きなので、合成すると打ち消し合う。よって分子全体にかたよりはなく、無極性分子。

よって答えはイ。

答え:

イ

よくある誤り

結合に極性があれば分子も必ず極性分子だとしてしまう誤り（ $C O_{2}$ は $C = O$ に極性があるから極性分子とする）。正しくは $C O_{2}$ は直線形で 2 つの極性が打ち消し合うので無極性分子。
電子式を平面に書いたときの見た目で判断してしまう誤り（ $H - O - H$ と横一列に書けるから $H_{2} O$ は直線形で無極性とする）。正しくは O のまわりに非共有電子対 2 つを含む 4 まとまりがあるので折れ線形で、極性分子。
中心原子についた原子が混ざっているのに打ち消し合うとしてしまう誤り（ $C H_{3} Cl$ を $C H_{4}$ と同じ正四面体に近い形だから無極性とする）。正しくは $C - H$ （差 $2.6 - 2.2 = 0.4$ ）と $C - Cl$ （差 $3.2 - 2.6 = 0.6$ ）では極性の大きさも向きも違うので打ち消し合わず、極性分子。
非共有電子対をもつ三角錐形を対称だと考えてしまう誤り（ $N H_{3}$ を 3 つの $N - H$ が同じだから無極性とする）。正しくは 3 つの矢印がどれも H から N へ向かう上向きの成分をもつので打ち消し合わず、極性分子。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
次の 6 種類の分子のうち、極性分子は何種類あるか。かっこ内は分子の形である。また、ポーリングの電気陰性度を $H = 2.2$ 、 $C = 2.6$ 、 $N = 3.0$ 、 $O = 3.4$ 、 $Cl = 3.2$ とする。
- $C l_{2}$ （直線形）
- $HCl$ （直線形）
- $C O_{2}$ （直線形、 $O$ が $C$ の両側にある）
- $H_{2} O$ （折れ線形）
- $N H_{3}$ （三角錐形）
- $CC l_{4}$ （正四面体形、 $C$ が中心）

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）
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。