第4章

分子と共有結合第4章

分子と共有結合水（H 2O），窒素（N 2），メタン（CH 4）のように 2 つ以上の元素が作る粒子を分子といい，これらを構成する原子が電子を共有する共有結合によって安定な状態をとっている。
これらの分子は電気を通す性質はない。分子の構造を示す 3 種の分子モデルを図 4-1 に示す。分子間の結合を線で示す単純な構造式では複雑な分子であっても原子間の結合の状況がよくわかる。一方，図 4-1 で示される棒状モデルと空間充てんモデルは分子の構造を実際に近い形で見ることができるので，立体的に分子間が接近している状態が明らかである。

本

分子の空間充てんモデルはパソコンのフリーソフトで入手でき，モニター上で分子を回転すると全体の構造を見ることができる。図 4-1 に示す様に，水（H 2O）は直線状ではなく実際は折れ曲がった構造であり，メタン（CH 4）は正四面体の構造である。第 4 章では原見子の電子軌道から共有結合，それぞれの分子のなりたちとその構造について解説する。

構造式棒状モデル

空間充てんモデル

水メタン

ブタン

図 4-1分子モデル

24
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

2電 子 式STEP-11共有結合
第 2 章の図 2-5 で示したナトリウム（Na）原子中の電子配置を軌道で表現すると

1s 2s 2p  2p  2p  3s Naとなる。1 s 軌道，2 s 軌道，2 p 軌道では 2 個の電子が対をなしており，これを電子対といい，3 s 軌道のように対をつくらずに単独で存在する電子を不対電子という。二つ以上の原子が存在すると，不対電子同士が対をつくって安定化しようとする。同様に，水素原子（H）と窒素原子（N）の電子配置を軌道で表すと次のようになる。

1s N

1s 2s 2p  2p  2p  本H

このとき，水素は 1 個の不対電子を，窒素は 3 個の不対電子を持っている。2 個の水素原子が接近すると，両方の水素原子の電子軌道が重なり合って，それぞれの水素原子の不対電子を共有見することで安定化して水素分子となる。このとき両方の電子を共有してできる結合を共有結合という。窒素原子は 3 個の不対電子を持っているので，3 個の水素原子の不対電子とそれぞれ電子対を形成すると，アンモニア分子（NH ）となる。

2電 子 式

元素記号のまわりに価電子を記号・で示した化学式を電子式という。図 4-2 は第 3 周期までの元素の一般的な電子式を示す。第 2 章で学んだようにヘリウムは K 殻の 1 s 軌道に 2 個の電子が入って非結合電子対を作る。図 4-3 に示すように窒素の価電子数は 3 なので 2 通りの記述ができるが，右側の電子式が正しい。炭素の価電子数は 4 なので，エネルギーが最も低い状態（基底状態）は 2 s 軌道に 2 個，2 p 軌道に 2 個の電子が入ることになる。この場合炭素原子は 2 価であるように見えるが，実際には 2 価として他の原子と結合している化合物は非常に不安定で大多数の炭素はメタン（CH ）のように 4 価を示す。これは 2 s 軌道の 1 個の電子が 2 p 軌道に移動（昇位）した励起状態になる。このとき一つの 2 s 軌道と三つの 2 p 軌道が結合し，エネルギーが等しい四つの軌道となる。これを混成軌道と呼び，特にこの場合は sp  混成軌道を形成する。

25
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

第4章

分子と共有結合

電 子 式

本

図 4-2正しい電子式

見

図 4-3

したがって電子式は図 4-3 の右側のようになる。電子が励起するために必要なエネルギーは，新しい二つの結合を作るときのエネルギーで十分につぐなわれる。

3分子構造

図 4-4 に主な分子の電子式を示す。ここで炭素は 2 s 軌道と 3 種類の 2 p 軌道が混じりあって，エネルギーが等しい 4 種類の sp  混成軌道をとるために，電子図で表すと 4 個の不対電子が存在する。水素分子やアンモニア分子では 1 対の電子対による結合なので単結合という。酸素分子や二酸化炭素分子では 2 対の電子対による結合（二重結合），窒素原子では 3 対の電子対による結合（三重結合）ができる。
電子式では分子構造は 2 次元で表示されており，例えば水分子は直線状の分子にみえる。実際には図 4-4 に示すように少し折れ曲がった構造をしている。分子の構造を決めるのは電子の配置であり，分子を形成したとき結合に関与しない電子対（非結合電子対）と結合に関する電子対（結合電子対）のグループに分けられる。これらの電子対はお互いに反発しあうので，結合が切26
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

4

電子式と分子のでき方

本

図 4-4配位結合

図 4-5分子の構造見れない範囲で互いになるべく遠くに離れるように配置すると安定な分子構造となる。その結果，
図 4-5 に示すようにメタン分子はすべて結合電子対なので C-H 結合は互いに 109.5° の角度をとるので正四面体構造をとる。一方，非結合電子対を持つアンモニア分子では N-H 結合の角度は106.7° となり，水分子では O-H 結合の角度は 104.5° となる。

4配位結合
アンモニア分子（NH ）や水分子（H O）はその非結合電子対を水素イオンと共有することで 結 合 が 生 じ て 図 4-6 に 示 す よ う に ア ン モ ニ ウ ム イ オ ン（NH  ）や オ キ ソ ニ ウ ム イ オ ン（H O ）ができる。このように結合電子対が一方の原子から提供されてできる結合を特に配位結合という。新たにできた結合は，アンモニア分子や水分子の共有結合と区別はできない。

27
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

第4章

分子と共有結合

図 4-6

配位結合

STEP-21分子と分子の間に働く力本

陽イオンと陰イオンからできる塩（塩化ナトリウム（NaCl）や硫酸カリウム（K SO ）），塩基（水酸化ナトリウム（NaOH）や水酸化カルシウム（Ca(OH)））あるいは金属の酸化物（酸化ナトリウム（Na O）や酸化カルシウム（CaO））はイオン結合からできている。これらのイオン結合からなる物質は常温常圧で固体であり，粒子間に働くイオン結合は強いので融点が高い。
（例えば塩化ナトリウムの融点は 800 ℃である。）

見分子が集まってできた物質は常温，常圧で気体（水素（H ），窒素（N ），二酸化炭素（CO ），
メ タ ン（CH ）），液 体（水（H O），エ タ ノ ー ル（C H OH）
）あ る い は 固 体（グ ル コ ー ス（C H O ），ナフタレン（C H ））とさまざまであるが，一般にイオンからなる物質に比べて融点が低い。これは分子からなる物質の液体や固体では，分子を結集させるために分子間に弱い分子間力（ファンデルワールス力）が働いているためである。

2分子の極性
水素分子 H-H や塩素分子 Cl-Cl のように，同じ原子が結合している場合，共有電子対は両方の原子核から同じように引っぱられており，分子内に電荷の偏りがない。このような分子を無極性分子という。
これに対して塩化水素分子 H-Cl の中の共有電子対は Cl 原子のほうにいくらか引き寄せられており，H 原子はいくらか正の電荷を帯び，Cl 原子はいくらか負の電荷を帯びている。このような分子を極性分子という。
極性分子における分子間力は分子内の電荷のかたよりが原因で生じる極めて弱い静電的な力で28
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

3

図 4-7

水の性質と水素結合

分子の極性ある。そのため，極性分子の分子間力のほうが無極性分子より大きい。似たような構造の分子で本比較すると，分子量が大きいほど電荷の偏りが大きくなり，分子間力も大きくなる。また，分子間力による結合はイオン結合，共有結合，金属結合に比べるとはるかに弱い結合である。したがって分子からなる物質はイオンからなる物質や金属に比べて融点や沸点が低い。
2 原子分子の極性の偏りを判断するのに，元素の電気陰性度という指標があり，2 原子間の電気陰性度の差が小さいと極性の小さい共有結合になり，電気陰性度の差が大きいとイオン結合に見近い共有結合となる。電気陰性度については無機化学で学ぶ。
水分子（H O）
，二酸化炭素（CO ）やアンモニア分子（NH ）のように 3 個以上からなる分子では，分子の極性は分子の形の影響を受ける。図 4-7 に示すように CO  は無極性分子であり，H O と NH  は極性分子になる。

3

水の性質と水素結合
水は他の物質にはない特徴を持っている。日常生活では氷が水に浮かぶことを不思議に思う人はいない。一般に液体状態で分子が動くことができるということは，そこに空間があることを意味する。これを固体にすれば余分な空間はなくなるので，固体の密度は液体の密度より大きくなり，液体と固体が共存する凝固点では固体は沈むのが普通である。しかし，氷の結晶中では図4-8 に示すように水分子 1 個当たり 4 個の水分子と水素結合し，間の多い正四面体構造をとる
ために水から氷になると逆に密度は小さくなるので，氷は水に浮くことが可能となる。その他にも水は異常に高い融点，沸点を持つなどの特徴がある。水分子は極性分子であり，図 4-8 に示す
ように水分子間には弱い静電気力によって引きつけあう水素結合が存在する。水に溶解させた塩29
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

分子と共有結合

本

第4章

図 4-8

見

表 4-1

氷の構造

化学結合の種類

結合の種類

原子間結合

分子間結合

例

イオン結合

NaCl，MgCl 

金属結合

鉄，金，銀

共有結合

単結合水素，メタン

二重結合

酸素，エチレン

三重結合

窒素，アセチレン

配位結合

アンモニウムイオン

水素結合

水，安息香酸ファンデルワールス結合

ヘリウム，ベンゼン化ナトリウム（NaCl）は Na  と Cl  に分かれ，Na  は負電荷を持っている水分子の酸素原子との静電相互作用により，Cl  は正電荷をもっている水分子の水素との水素結合により，それぞれ安定化されている。水がイオンをより囲んで安定化させる現象を水和という。一般に水素結合の強さは化学結合（共有結合，イオン結合，金属結合）の強さに比べればはるかに弱いが，無極

30
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

3

水の性質と水素結合性分子間の分子間力よりも強いので，氷の結晶格子を崩したり，水分子同士を引き離して水蒸気にするためには大きなエネルギーが必要となる。その結果，極性分子の融点や沸点は比較的高くなる。
これまでに学んだ化学結合をまとめると表 4-1 のようになる。

SDGs（Sustainable Development Goals）と水本

1990 年代に地球温暖化の防止策について国際的な取り組みが開始され，それから 30 年の月日が流れたが，地球温暖化は止められていない。地球上にはこれ以外にも貧困問題，地域紛争，感染症の増加など解決すべき課題が山積している。SDGs は Sustainable Development Goals（持続可能な開発目標）の略称であり，「誰一人取り残さない」「よりよい地球を作るために」国際社会が一丸となって取り組むべき国際目標であり，17 の目標が掲げられている。目標 6 は「安全な水とトイ

見レを世界中に」という目標で，その中身は「すべての人に衛生へのアクセスと持続可能な管理を確保する」とある。地球の表面の約 70% が海であり，海を眺めていると水不足など感じられない。
実際は海水が 97.47% と大部分を占め，持続可能ではない氷河や地下水などの水を除けば，河川や湖沼など人が利用しやすい状態で存在する水は約 0.01%（10 万 km3）にすぎない。下図は水の循環を示しているが，太陽エネルギーによる海水の蒸発を駆動力として，雲や雨を経て河川，湖沼から海水へと循環する。循環の途中では水力発電により電気エネルギーを回収している。水力発電は有力な再生可能エネルギーである。また，河川や湖沼の水を取水して農業用水，工業用水，生活用水に使用されている。世界の人口は増え続けており，目標 2「飢餓をゼロに」や目標 3「すべての人に健康と福祉を」を達成するためには，水の浄化が重要である。化学の力によって排水を浄化するための膜素材や吸着素材の開発を続けてきた。
また，沙漠や離島など水資源のない地域では分離膜を利用した海水淡水化は欠くことができない。

31
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/

第4章

分子と共有結合

章

末

問

題

四塩化炭素（CCl ）の電子式を書け。

問題઄

エタン（C H ）の電子式を書け。

問題અ

エチレン（C H ）の電子式を書け。

問題આ

硫酸イオン（SO  ）の電子式を書け。

問題ઇ

酸素原子（O）の電子配置を軌道（s 軌道と三つの p 軌道）で表現せよ。

問題ઈ

酸化物イオン（O ）の電子配置を軌道（s 軌道と三つの p 軌道）で表現せよ。

問題ઉ

図 2-4 の電子軌道のエネルギー準位を参考にして，カルシウム原子（Ca）の電子配置

見を軌道で表現せよ。

本問題ઃ

32
初歩から学ぶ化学 (第2版)

三共出版株式会社

https://www.sankyoshuppan.co.jp/