技能一覧 › 高校化学 物質の構成と化学結合

電子対反発則と分子の形

中心原子のまわりの電子対の数から、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）を判定できる

前提

• 電子式と共有電子対・非共有電子対 （高校化学 物質の構成と化学結合）

説明

なぜそうしてよいのか

手順

1. 分子の電子式を書き、中心原子（ほかの原子と結合している数がいちばん多い原子）を決める。

2. 中心原子のまわりの電子対のまとまりの数を数える。単結合・二重結合・三重結合はどれも 1 まとまり、非共有電子対は 1 つで 1 まとまりとする。

3. まとまりの数から並ぶ向きを決める：2 つなら直線（$180^{\circ }$）、3 つなら平面の正三角形（$120^{\circ }$）、4 つなら正四面体（約 $109.5^{\circ }$）の向き。

4. そのうち、結合している原子がある向きだけを見て形を決める：4 まとまりで原子 4 つ → 正四面体形、原子 3 つ（非共有電子対 1 つ）→ 三角錐形、原子 2 つ（非共有電子対 2 つ）→ 折れ線形。3 まとまりで原子 3 つ → 平面三角形。2 まとまりで原子 2 つ → 直線形。

例題

よくある誤り

• 非共有電子対を数え忘れて、結合の数だけで形を決めてしまう誤り（$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ は結合が 3 つだから平面三角形、${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ は結合が 2 つだから直線形とする）。正しくは非共有電子対も 1 まとまりとして数え、どちらも 4 まとまりなので $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ は三角錐形、${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ は折れ線形。

• 二重結合を 2 まとまりと数えてしまう誤り（$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ の C のまわりを $2\times 2=4$ まとまりとして正四面体の向きに並ぶとする）。正しくは二重結合の 2 組の共有電子対は同じ向きなので 1 まとまりとし、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ は 2 まとまりで直線形。

• 非共有電子対まで含めた並び方を、そのまま分子の形の名前にしてしまう誤り（${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ を電子対が正四面体の向きに並ぶから正四面体形とする）。正しくは分子の形は原子の位置だけで決めるので、O と 2 つの H を結んだ折れ線形。

• 4 つのまとまりを平面上に $90^{\circ }$ ずつ並べて考えてしまう誤り（$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ を平面の正方形とする）。正しくは立体的に広がるほうが互いに離れられるので、なす角約 $109.5^{\circ }$ の正四面体形。

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 5 種類の分子のうち、分子の形が折れ線形であるものは何種類あるか。ただし、分子の形は、中心原子のまわりの電子対（共有電子対と非共有電子対）がたがいに反発してできるだけ離れるように配置するものとして考えよ。また、原子番号は $\mathrm{H}=1$、$\mathrm{C}=6$、$\mathrm{N}=7$、$\mathrm{O}=8$、$\mathrm{S}=16$ とし、二重結合の 2 組の共有電子対は 1 つのまとまりとして扱う。

  $${\mathrm{H}}_2\mathrm{O},\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3,\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4,\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2,{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$$

この技能を使う問題

• 難易度 2（教科書の章末問題レベル）

  次の 8 種類の分子のうち、分子の形が直線形であるものは何種類あるか。整数で答えよ。

  ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$、$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$、$\mathrm{HCN}$、$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$、${\mathrm{N}}_2$、${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$、${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_2$

• 難易度 2（教科書の章末問題レベル）

  次の 8 種類の分子のうち、分子を構成するすべての原子の中心（原子核）が一直線上に並ぶ分子、すなわち直線形の分子は何種類あるか。整数で答えよ。

  ${\text{CO}}_2$, ${\text{H}}_2\text{O}$, ${\text{NH}}_3$, ${\text{CH}}_4$, $\text{HCN}$, ${\text{C}}_2{\text{H}}_2$（アセチレン）, ${\text{H}}_2\text{S}$, ${\text{CS}}_2$

  ただし、各原子の価電子の数は $\text{H}$ が $1$, $\text{C}$ が $4$, $\text{N}$ が $5$, $\text{O}$ と $\text{S}$ が $6$ とし、各分子の中で水素原子以外の原子はオクテットを満たしているものとする。

• 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。

  ${\text{H}}_2\text{O}$, ${\text{CO}}_2$, ${\text{NH}}_3$, ${\text{CH}}_4$, ${\text{CH}}_2{\text{Cl}}_2$, ${\text{CCl}}_4$, ${\text{BF}}_3$, $\text{HCN}$, ${\text{H}}_2\text{S}$, ${\text{N}}_2$, $\text{HCl}$, ${\text{C}}_2{\text{H}}_4$（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、${\text{BF}}_3$ 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 $\text{F}>\text{O}>\text{Cl}\approx \text{N}>\text{S}\approx \text{C}>\text{H}>\text{B}$ 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。

• 難易度 4（国公立二次の標準レベル）

  メタン ${\text{CH}}_4$ 分子は、炭素原子を中心とし、4 個の水素原子を頂点とする正四面体形である。この形は、一辺の長さ $a$ の立方体を考え、その中心に炭素原子を、立方体の 8 個の頂点のうち互いに辺で結ばれていない 4 個の頂点（どの 2 個も立方体の面の対角線の両端になっている 4 個の頂点）に水素原子を置いたものとして表すことができる。

  $\text{C}-\text{H}$ 結合の長さ（炭素原子と水素原子の原子核の間の距離）を $d$ とするとき、2 個の水素原子の原子核の間の距離を $d$ を用いて表せ。

  $\mathrm{H}$$\mathrm{H}$$\mathrm{H}$$\mathrm{H}$$\mathrm{C}$$a$$d$

この技能の次に学べること

• 電気陰性度と分子の極性 （高校化学 物質の構成と化学結合）
• 振動の自由度の数 （大学化学 分光学と構造解析）
• 対称要素と対称操作 （大学化学 無機化学・錯体化学）