共有結合と配位結合

共有電子対・非共有電子対と電子式、配位結合のでき方（ $N H_{4}^{+}$ 、 $H_{3} O^{+}$ など）を判定できる

前提

電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構造と同位体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））

説明

非金属元素の原子どうしは、電子をやり取りしてイオンになるのではなく、電子を共有して結びつきます。この技能では、原子の価電子を点で表す電子式を使って、分子の中の共有電子対と非共有電子対を数えられるようになります。さらに、一方の原子の非共有電子対がもう一方に提供されてできる配位結合について、アンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ やオキソニウムイオン $H_{3} O^{+}$ を例に、そのでき方と性質を判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

貴ガスの電子配置（最外殻に 8 個、H や He では K 殻に 2 個）は安定です。非金属元素の原子どうしは、どちらも電子を受け取りたい側なので、互いに不対の電子を 1 個ずつ出し合って電子対をつくり、その電子対を 2 つの原子で共有します。共有した電子はどちらの原子の最外殻にも数えられるので、両方の原子が貴ガスと同じ電子配置になれます。これが共有結合です。

元素記号のまわりに価電子を点で書いたものを電子式といいます。最外殻の電子は、4 個目までは 1 個ずつ別々の場所に、5 個目からは対をつくるように書きます。対になっていない電子を不対電子、対になった電子を電子対といいます。分子の電子式で、2 つの原子の間で共有されている電子対を共有電子対、1 つの原子だけに属し結合に使われていない電子対を非共有電子対といいます。たとえば $N H_{3}$ では、N（価電子 5）の不対電子 3 個が 3 個の H の不対電子とそれぞれ共有電子対をつくり、N には非共有電子対が 1 組残ります。 $H_{2} O$ では共有電子対 2 組、O の非共有電子対 2 組です。不対電子が 2 個ずつ共有されると二重結合（例: $O = C = O$ ）、3 個ずつなら三重結合（例: $N \equiv N$ ）になります。

ふつうの共有結合では 2 つの原子が電子を 1 個ずつ出しますが、一方の原子の非共有電子対を相手に提供し、それを 2 つの原子で共有してできる結合もあります。これを配位結合といいます。電子をもたない水素イオン $H^{+}$ は、 $N H_{3}$ の N の非共有電子対を受け取って $N H_{4}^{+}$ に、 $H_{2} O$ の O の非共有電子対を受け取って $H_{3} O^{+}$ になります。配位結合はでき方が違うだけで、できあがった結合はふつうの共有結合と同じです。 $N H_{4}^{+}$ の 4 本の N−H 結合はまったく区別できず、イオンは正四面体形です。

手順

それぞれの原子の価電子の数を確かめ、電子式で不対電子と電子対を書く（H は 1、C は 4、N は 5、O は 6、Cl は 7）。
不対電子どうしを組にして共有電子対をつくり、各原子が貴ガスと同じ電子配置（H は 2 個、ほかは 8 個）になっていることを確かめる。
分子の中の共有電子対と非共有電子対の数を数える。二重結合は共有電子対 2 組、三重結合は 3 組と数える。
配位結合を考えるときは、非共有電子対をもつ原子（ $N H_{3}$ の N、 $H_{2} O$ の O など）が、電子対を受け入れられる相手（ $H^{+}$ など）に電子対を提供すると考える。
配位結合ができたあとは、その結合はほかの共有結合と区別できないこと、提供した原子の非共有電子対が 1 組減ること、粒子全体の電荷は $H^{+}$ の分だけ $+ 1$ になることを確かめる。

例題

アンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア 4 つの N−H 結合のうち配位結合でできた 1 つは、できたあとはほかの 3 つと区別できない。
イ配位結合では、結合する 2 つの原子がそれぞれ電子を 1 個ずつ出し合う。
ウ $N H_{4}^{+}$ の N 原子には、非共有電子対が 1 組ある。
エ $N H_{3}$ の H 原子がもつ非共有電子対が $H^{+}$ に提供されて、 $N H_{4}^{+}$ ができる。

例題の解答

【手順 1・2・3】 $N H_{3}$ の電子式では、N の価電子 5 個のうち 3 個が H と共有電子対をつくり、N に非共有電子対が 1 組残る。H には非共有電子対はない。

【手順 4】 $H^{+}$ は電子をもたないので、N の非共有電子対を受け入れて配位結合をつくり、 $N H_{4}^{+}$ ができる。電子対を出すのは N であって H ではないので、エは誤り。また、電子対を一方の原子だけが出すので、イは誤り。

【手順 5】N の非共有電子対は配位結合に使われたので、 $N H_{4}^{+}$ の N に非共有電子対は残っていない。よってウは誤り。できた配位結合はほかの共有結合と同じで、4 本の N−H 結合は区別できない。よってアは正しい。

よって正しいのはア。

答え:

ア

よくある誤り

配位結合を、できたあともほかの共有結合と違う特別な結合だとしてしまう誤り（ $N H_{4}^{+}$ の 4 本の N−H 結合のうち 1 本だけ長さや強さが違うとする）。正しくは 4 本は区別できず、 $N H_{4}^{+}$ は正四面体形。
配位結合で電子対を出すのが $H^{+}$ の側だとしてしまう誤り。正しくは $H^{+}$ は電子をもたないので、 $N H_{3}$ の N や $H_{2} O$ の O が非共有電子対を出す。
配位結合ができたあとも非共有電子対の数が変わらないとしてしまう誤り（ $H_{3} O^{+}$ の O の非共有電子対を $H_{2} O$ と同じ 2 組とする）。正しくは 1 組を配位結合に使ったので、 $H_{3} O^{+}$ の O の非共有電子対は 1 組。
二重結合・三重結合の共有電子対を 1 組と数えてしまう誤り（ $C O_{2}$ の共有電子対を 2 組、 $N_{2}$ を 1 組とする）。正しくは $O = C = O$ は $2 \times 2 = 4$ 組、 $N \equiv N$ は 3 組。

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）
分子やイオンの電子対と結合について述べた次の文ア〜エのうち、誤っているものを 1 つ選べ。
- ア　水分子 $H_{2} O$ には、共有電子対が $2$ 組、非共有電子対が $2$ 組ある。
- イ　アンモニア分子 $N H_{3}$ には、共有電子対が $3$ 組、非共有電子対が $1$ 組ある。
- ウ　メタン分子 $C H_{4}$ には、共有電子対が $4$ 組、非共有電子対が $1$ 組ある。
- エ　アンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ は、アンモニア分子の窒素原子がもつ非共有電子対を、水素イオン $H^{+}$ と共有することでできる。

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）
硝酸銀水溶液に塩化ナトリウム水溶液を加えると、塩化銀 $AgCl$ の白色沈殿が生じる。この沈殿に過剰のアンモニア水を加えると、沈殿は溶けて無色の水溶液になる。これは、銀イオン $A g^{+}$ に 2 個のアンモニア分子 $N H_{3}$ が結合して、ジアンミン銀(I)イオン $[Ag (N H_{3})_{2}]^{+}$ ができるためである。また、塩化銀の沈殿はチオ硫酸ナトリウム水溶液にも溶ける。これは、 $A g^{+}$ に 2 個のチオ硫酸イオン $S_{2} O_{3}^{2 -}$ が結合して、ビス(チオスルファト)銀(I)酸イオン $[Ag (S_{2} O_{3})_{2}]^{3 -}$ ができるためである。
これらのイオンの中の $N H_{3}$ や $S_{2} O_{3}^{2 -}$ のように、錯イオンの中心にある金属イオンに、非共有電子対を提供して配位結合している分子や陰イオンを何というか。漢字で答えよ。

難易度 3（共通テストレベル）

次の文中の空欄 $a$ ・ $b$ に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下の表のア〜エから 1 つ選べ。

水分子 $H_{2} O$ に水素イオン $H^{+}$ が結合すると、オキソニウムイオン $H_{3} O^{+}$ ができる。このとき、水分子の酸素原子がもつ $a$ を水素イオンと共有することで、新しい結合ができる。このように、一方の原子から提供された電子対を共有してできる共有結合を配位結合という。できたオキソニウムイオンの 3 つの $O - H$ 結合は、 $b$ 。

	a	b
ア	不対電子	配位結合でできた 1 つだけが、ほかの 2 つと性質が異なる
イ	非共有電子対	配位結合でできた 1 つだけが、ほかの 2 つと性質が異なる
ウ	不対電子	どれも同等であり、互いに区別できない
エ	非共有電子対	どれも同等であり、互いに区別できない

難易度 4（国公立二次の標準レベル）
化学結合と結晶の性質について述べた文として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。
- ア　塩化ナトリウムの結晶は、固体のままでは電気を通さないが、加熱して融解させた液体は電気を通す。
- イ　アンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ の 4 つの $N - H$ 結合のうち 1 つは配位結合によってできるが、できた後の 4 つの $N - H$ 結合は互いに区別できない。
- ウ　ダイヤモンドは共有結合の結晶であり、固体のままで電気をよく通す。
- エ　金属が展性・延性を示すのは、自由電子が金属原子の間を動いて原子どうしを結びつけているので、原子の位置がずれても結合が保たれるためである。
- オ　ヨウ素の結晶は、ヨウ素分子どうしが共有結合で結びついてできた分子結晶である。

この技能の次に学べること

分子の形と極性（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
錯イオン（高校化学無機物質（知識））
等核 2 原子分子の分子軌道と結合次数（大学化学量子化学）