共有結合

ポイント

2 つの原子が、最も外側にもつ電子を出し合って共有することで、原子同士がつながることを共有結合といいます。

それぞれの原子は、安定な希ガスの電子配置になるように電子を共有します。

一般に共有結合は、非金属元素の原子同士でつくられます。

共有結合でいくつかの原子が結びついてできた粒子を、分子といいます。

1 個の原子でできた分子を単原子分子、2 個の原子でできた分子を二原子分子、3 個以上の原子でできた分子を多原子分子といいます。

分子式とは、分子を構成している原子を元素記号で書き、その原子の個数を右下に付けて表した式です。

電子式とは、原子の価電子(最外殻の電子)を点で表示した式です。

電子式で、2 個の電子の組を電子対、1 個だけある電子を不対電子といいます。

原子が不対電子を出し合って共有している電子対を、共有電子対といいます。共有していない電子対は、非共有電子対といいます。

原子同士が 2 つの共有電子対をもち結合しているとき、これを二重結合といいます。同様に 3 つの共有電子対をもち結合しているとき、これを三重結合といいます。

共有結合

原子と原子が近づいたときに、それぞれが最も外側にもつ電子を出し合って共有することで、原子同士がつながることを共有結合といいます

共有結合とは(イオン結合との違い)

イオン結合では、陽イオンになりやすい原子が電子を放出して、陰イオンになりやすい原子が電子を受け取りました。

そして陽イオンと陰イオンの間でクーロン力がはたらくので、その引力によって結合していました。

代表的な例では、陽イオンになりやすい金属元素のナトリウム Na が電子を放出し Na+ となり、陰イオンになりやすい非金属元素の塩素 Cl が電子を受け取り Cl となり、塩化ナトリウム NaCl が生じます。

塩化ナトリウムは、イオン結合で結びついたイオン結晶でした。

さて共有結合では、原子同士がそれぞれの電子を提供して、これらの電子を共有することで原子がつながります。ではなぜ、電子を共有するのでしょうか。

一般にイオン結合は、陽イオンと陰イオンになりやすいので、金属元素と非金属元素の間でできる結合です。

もし非金属元素同士が結合するなら、どうやってできるのでしょうか。非金属元素の原子が 2 つあったとき、これらはどちらも電子を受け取りたがる原子です。

そこで、どちらも電子を受け取るような形で結合させてみましょう。

それぞれの原子が相手の電子を受け取り、その電子を共有する形なら、電子を受け取りたがる非金属元素の原子でも結合ができます。

2 つの非金属元素の原子が電子を受け取り、電子を共有して安定な状態をつくれるなら、共有結合が完成します。

原子は希ガスの電子配置になると安定なので、原子番号の近い希ガスの電子配置をとろうとします。

これは、第 1 周期の水素 H なら、ヘリウム He と同じように最外殻( K 殻)の電子数を 2 個にしようとします。

第 2 周期以降の元素なら、ネオン Ne の最外殻( L 殻)8個、アルゴン Ar の最外殻( M 殻)8個、クリプトン Kr の最外殻( N 殻)8 個、‥‥と同じように、最外殻の電子数を 8 個にしようとします。

まとめると、水素 H は最外殻が 2 個の電子配置なら安定なので、最外殻が 2 個になろうとします。それ以外の元素では最外殻が 8 個の電子配置なら安定なので、最外殻が 8 個になろうとします。

非金属元素の原子は、相手の電子を受け取って共有し、安定な希ガスの電子配置をとることで、強い共有結合をつくれます。

分子

共有結合でいくつかの原子が結びついてできた粒子を、分子といいます。

上の項で説明したように、それぞれの原子が安定な電子配置をとるように、共有結合で(非金属元素の)原子はつながります。

こうしてつながってできたものが分子です。水や二酸化炭素、アンモニア、メタン、エタノールなどが分子です。

共有結合で分子ができる例を確認しましょう。

水素分子 H2 は水素原子 H が 2 個共有結合してできた分子です。水素原子 H は原子番号 1 の電子を 1 個もつ原子であり、最外殻は K 殻で電子が 1 個あります。

この水素原子はヘリウム He のように最外殻の電子数が 2 個になると安定です。

そこで 2 個の水素原子が、K 殻の電子を 1 個ずつ提供し、それら 2 個の電子をそれぞれの原子が共有します。そうすると最外殻に 2 個の電子が入り、2 つの原子がともに安定となります。

電子殻に 2 個の電子を共有するので 、2 個の原子は一定の距離を保ちます。正の電荷をもつ原子核と、共有する 2 つの電子を通して、水素原子はたがいに引き合い結合を形成します。

フッ素分子 F2 はフッ素原子 F が 2 個共有結合してできた分子です。フッ素原子 F は原子番号 9 の電子を 9 個もつ原子であり、最外殻は L 殻で電子が 7 個あります。

このフッ素原子は、ネオン Ne のように最外殻の電子数が 8 個になると安定です。

そこで 2 個のフッ素原子が、L殻の電子を 1 個ずつ提供し、その 2 個の電子をそれぞれの原子が共有します。

すると、それぞれの原子の最外殻電子数は 8 個となり、2 つの原子がともに安定となります。

電子殻に 2 個の電子を共有するので、 2 個の原子は一定の距離を保ちます。正の電荷をもつ原子核と、共有する 2 つの電子を通して、フッ素原子はたがいに引き合い結合を形成します。

水分子 H2O は、1 個の酸素原子と 2 個の水素原子が共有結合してできた分子です。

酸素原子は原子番号 8 で最外殻( L 殻)に電子を 6 個もち、2 個の電子を受け取って共有すれば、安定な電子配置になります。

水素原子は最外殻の電子が 1 個で、さらに 1 個電子を受け取れば安定です。水素原子は分子内に 2 個あるので、2 個の水素原子がそれぞれ酸素原子と共有結合をつくります。

アンモニア NH3 は 1 個の窒素原子と 3 個の水素原子が共有結合してできた分子です。窒素原子は原子番号 7 で最外殻( L 殻)に電子を 5 個もち、3 個の電子を受け取って共有すれば、安定な電子配置になります。

水素原子は最外殻の電子が 1 個で、さらに 1 個電子を受け取れば安定です。水素原子は分子内に 3 個あるので、3 個の水素原子がそれぞれ酸素原子と共有結合をつくります。

分子の種類

分子は何個の原子からできているかで、名称がつけられています。1 個の原子でできた分子を単原子分子といいます。単原子分子は、1 個だけでも安定な希ガスが代表例です。

2 個の原子でできた分子を二原子分子といいます。水素や酸素、窒素、塩素などが二原子分子です。

3 個の原子でできた分子を三原子分子、また 3 個以上の原子でできた分子を多原子分子といいます。水は三原子分子で、アンモニアは多原子分子です。

分子式

分子は構成している原子を元素記号で書き、その原子の個数を右下に付けることで表記できます。この式を分子式といいます。ただし 1 個の原子は数を省略します。

分子式で表すと、単原子分子ではヘリウム He やネオン Ne となります。二原子分子では、それぞれ原子が 2 個あるので、水素 H2 や酸素 O2 、窒素 N2 、塩素 Cl2 と表されます。

三原子分子では、水 H2O (水素原子 2 個と酸素原子 1 個)や、二酸化炭素 CO2 (炭素原子 1 個と酸素原子 2 個)と表されます。

多原子分子では、アンモニア NH3 (窒素原子 1 個と水素原子 3 個)、メタン CH4 (炭素原子 1 個と水素原子 4 個)、エタノール C2H6O(炭素原子 2 個と酸素原子 1 個と水素原子 6 個)のように分子式で書くことができます。

電子式

共有結合をつくるには、原子の最外殻に注目して、最外殻の電子が 8 個(水素原子では 2 個)になるように、電子を共有すればよいのでした。

それならば各原子の最外殻の電子数だけ考えれば、共有結合でできた分子について簡単に考察できます。

そこで原子の価電子(最外殻の電子)を点で表示した式をつくりました。この式を電子式といいます。

電子式では、原子の元素記号の周りに、最外殻の電子数と同じ数だけ点をつけます。

電子は 2 個で 1 つの組とし、この組のことを電子対といいます。組にならずに 1 個だけの状態の電子は、不対電子といいます。原子は最大で 4 つの電子対をもちます。

4 つの電子対は、元素記号の上下左右に書きます。最外殻電子は 1 個増えるごとに 1 個ずつ上下左右に割り振り、5 個目の電子からは電子対をつくっていきます。

共有結合では、それぞれの原子がもつ不対電子が提供されて、電子が 2 つ揃い電子対をつくります。こうして原子間で共有された電子対のことを、共有電子対といいます。また、原子に共有されていない電子対は、非共有電子対といいます。

二重結合と三重結合

電子式で共有電子対として表されるものが、原子と原子をつなぐ共有結合でした。1 個の不対電子と 1 個の不対電子が電子対をつくり共有結合となったとき、これを単結合といいます。

1 個の原子は最大で 4 つの電子対をもつので、複数の共有結合をもつことができます。

ある原子とある原子の間で 2 つの共有電子対をもつとき、共有結合が 2 つできていることになります。この状態を二重結合といいます。

同様に原子間で共有結合が 3 つできているとき、これを三重結合といいます。

二重結合の例には、酸素 O2 や二酸化炭素 CO2 などがあります。

酸素原子は電子対を 2 組と不対電子を 2 個もちます。酸素分子は、2 つの酸素原子がそれぞれ 2 個の不対電子を提供し、二重結合をつくってできています。

分子である二酸化炭素は、炭素原子 1 個と酸素原子 2 個からできています。炭素原子は不対電子を 4 個もちます。酸素原子の 2 個の不対電子と、炭素原子の 2 個の不対電子から、二重結合がつくれます。この二重結合をふたつもつ分子が二酸化炭素です。

三重結合の例には、窒素 N2 やアセチレン C2H2 などがあります。

窒素原子は、電子対を 1 組と不対電子を 3 個もちます。2 個の窒素原子が不対電子を 3 個ずつ出し合って共有すると、三重結合ができます。窒素分子は、三重結合でできた二原子分子です。

アセチレンは、炭素原子が 2 個と水素原子が 2 個からできた分子です。炭素原子は 4 個の不対電子を、水素原子は 1 個の不対電子をもちます。

炭素原子と水素原子は不対電子を 1 個ずつ提供して、単結合をつくっています。炭素原子と炭素原子は、3 つの不対電子をそれぞれ出し合い、3 つの共有電子対をつくります。これが三重結合になっています。

問題演習

確認テスト1

次の文章の空欄を適当な語句で補いましょう。

陽イオンと陰イオンが互いに、クーロン力で引き合ってできているのが、イオン結合です。一方、非金属元素の原子同士が、それぞれ電子を提供してできているのが( A )です。

( A )では、原子の最外殻電子が結合に関与するので、最外殻電子を点で表した電子式が考えられました。電子式では、2つの電子が組になったものを電子対、1個の電子が単独で存在しているものを( B )といいます。

( A )は、それぞれの原子が( B )を出し合ってつくります。このように互いの原子に共有された電子対を( C )、結合に関与していない電子対を( D )といいます。

1 つの( C )で結びついた結合を( E )、2つの( C )で結びついた結合を二重結合、3つの( C )で結びついた結合を( F )といいます。

それぞれの原子は、安定な( G )の電子配置をとるように( A )をつくります。

いくつかの原子が( A )により結合した粒子のことを、分子といいます。1 個の原子からなる分子を( H )、2 個の原子からなる分子を( I )、3 個以上の原子からできている分子を多原子分子といいます。

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A:共有結合   B:不対電子   C:共有電子対   D:非共有電子対

E:単結合   F:三重結合   G:希ガス   H:単原子分子

I:二原子分子

確認テスト2

次の分子の分子式を書きましょう。

水素H2
酸素
オゾン
塩素
臭素
ヨウ素
一酸化炭素
塩化水素
硫化水素
二酸化窒素
一酸化窒素
過酸化水素
エチレン
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水素H2
酸素O2
オゾンO3
塩素Cl2
臭素Br2
ヨウ素I2
一酸化炭素CO
塩化水素HCl
硫化水素H2S
二酸化窒素NO2
一酸化窒素NO
過酸化水素H2O2
エチレンC2H4

確認テスト3

次の原子や分子を電子式で表しましょう。

  1. ヘリウム He
  2. 第3周期元素の原子
  3. 塩素 Cl2
  4. 水 H2O
  5. アンモニア NH3
  6. 酸素 O2
  7. 窒素 N2
  8. エチレン C2H4
  9. 過酸化水素 H2O2
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実践問題1(2016追第1問問1)

『図 1 の電子式で表される A の元素名』に当てはまるものを、次の①~⑥のうちから一つ選べ。

① 酸素    ② フッ素    ③ アルミニウム

④ ケイ素    ⑤ リン    ⑥ アルゴン

(2016年度センター試験 追試験 化学基礎 第1問問1 より一部を引用)

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正解 5

図 1 の電子式から、この原子 A は最外殻に電子を 5 個もっていることがわかります。

そこで、①~⑥の元素のうち、最外殻の電子が 5 個のものを探します。

1 × 酸素は原子番号 8 であり、陽子と電子の数は 8 個です。電子は K 殻に 2 個、L 殻に 6 個です。最外殻の電子数は 6 です。

2 × フッ素は原子番号 9 であり、陽子と電子の数は 9 個です。電子は K 殻に 2 個、L 殻に 7 個です。最外殻の電子数は 7 です。

3 × アルミニウムは原子番号 13 であり、陽子と電子の数は 13 個です。電子は K 殻に 2 個、L 殻に 8 個、M 殻に 3 個です。最外殻の電子数は 3 です。

4  × ケイ素は原子番号 14 であり、陽子と電子の数は 14 個です。電子は K 殻に 2 個、L 殻に 8 個、M 殻に 4 個です。最外殻の電子数は 4 です。

5 〇 リンは原子番号 15 であり、陽子と電子の数は 15 個です。電子は K 殻に 2 個、L 殻に 8 個、M 殻に 5 個です。最外殻の電子数は 5 です。

リンの原子は最外殻に電子を 5 個もつので、電子式で表すと図 1 のようになります。

6 × アルゴンは原子番号 18 であり、陽子と電子の数は 18 個です。電子は K 殻に 2 個、L 殻に 8 個、M 殻に 8 個です。最外殻の電子数は 8 です。

実践問題2(2019追第1問問1)

『三重結合をもつ分子』に当てはまるものとして最も適当なものを、次の①~④のうちから一つ選べ。

① N2    ② I2    ③ C2H4    ④ C2H6

(2019年度センター試験 追試験 化学基礎 第1問問1 より一部を引用)

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正解 1

1 〇 窒素原子 N は 15 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 5 個です。そこで下の電子式のように、電子対が 1 組と不対電子が 3 個あります。

この窒素原子が 2 個結合してできる窒素分子 N2 は、それぞれの不対電子 3 個が共有結合をつくります。

これにより三重結合ができます。それぞれの窒素原子は、3 つの共有結合(三重結合)と 1 つの非共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

2 × ヨウ素原子 I は 17 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 7 個です。そこで下の電子式のように、電子対が 3 組と不対電子が 1 個あります。

このヨウ素原子が 2 個結合してできるヨウ素分子 I2 は、それぞれの不対電子 1 個が共有結合をつくります。

これにより 1 つの単結合ができます。それぞれのヨウ素原子は、1 つの共有結合と 3 つの非共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

3 × C2H4 はエチレン分子です。

炭素原子 C は 14 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 4 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 4 個あります。

水素原子 H は 1 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 1 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 1 個あります。

これら炭素原子 2 個と水素原子 4 個から、1 つのエチレン分子ができます。

炭素原子同士は 2 つの共有結合(二重結合)をつくります。炭素原子と水素原子は、それぞれが不対電子を 1 個ずつ出して共有結合をつくります。

エチレン分子内の炭素原子は、1 つの二重結合と 2 つの共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

エチレン分子内の水素原子は、1 つの共有電子対があるので、最外殻に 2 個の電子をもつことになり、安定します。

(K 殻に 2 個の電子が入ったヘリウムの電子配置をとると、水素原子は安定します。)

4 × C2H6 はエタン分子です。

炭素原子 C は 14 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 4 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 4 個あります。

水素原子 H は 1 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 1 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 1 個あります。

これら炭素原子 2 個と水素原子 6 個から、1 つのエタン分子ができます。

炭素原子同士は、それぞれが不対電子を 1 個ずつ出して共有結合をつくります。炭素原子と水素原子は、それぞれが不対電子を 1 個ずつ出して共有結合をつくります。

エタン分子内の炭素原子は、4 つの共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

エチレン分子内の水素原子は、1 つの共有電子対があるので、最外殻に 2 個の電子をもつことになり、安定します。

(K 殻に 2 個の電子が入ったヘリウムの電子配置をとると、水素原子は安定します。)

実践問題3(2018追第1問問2)

非共有電子対の数が最も多い分子を、次の①~⑤のうちから一つ選べ。

① N2    ② NH3    ③ H2O

④ Cl2    ⑤ C2H4

(2018年度センター試験 追試験 化学基礎 第1問問2 より引用)

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正解 4

1 × 非共有電子対は 2 組

窒素原子 N は 15 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 5 個です。そこで下の電子式のように、電子対が 1 組と不対電子が 3 個あります。

この窒素原子が 2 個結合してできる窒素分子 N2 は、それぞれの不対電子 3 個が共有結合をつくります。

これにより三重結合ができます。それぞれの窒素原子は、3 つの共有結合(三重結合)と 1 つの非共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

窒素分子 N2 全体では、非共有電子対は 2 組あります。

2 × 非共有電子対は 1 組

窒素原子 N は 15 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 5 個です。そこで下の電子式のように、電子対が 1 組と不対電子が 3 個あります。

水素原子 H は 1 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 1 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 1 個あります。

これら窒素原子 1 個と水素原子 3 個から、1 つのアンモニア分子ができます。

窒素原子と水素原子は、それぞれが不対電子を 1 個ずつ出して共有結合をつくります。

アンモニア分子内の窒素原子は、3 つの共有電子対と 1 つの非共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

アンモニア分子内の水素原子は、1 つの共有電子対があるので、最外殻に 2 個の電子をもつことになり、安定します。

(K 殻に 2 個の電子が入ったヘリウムの電子配置をとると、水素原子は安定します。)

アンモニア分子 NH3 全体では、非共有電子対は 1 組あります。

3 × 非共有電子対は 2 組

酸素原子 O は 16 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 6 個です。そこで下の電子式のように、電子対が 2 組と不対電子が 2 個あります。

水素原子 H は 1 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 1 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 1 個あります。

これら酸素原子 1 個と水素原子 2 個から、1 つの水分子ができます。

酸素原子と水素原子は、それぞれが不対電子を 1 個ずつ出して共有結合をつくります。

水分子内の酸素原子は、2 つの共有電子対と 2 つの非共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

水分子内の水素原子は、1 つの共有電子対があるので、最外殻に 2 個の電子をもつことになり、安定します。

(K 殻に 2 個の電子が入ったヘリウムの電子配置をとると、水素原子は安定します。)

水分子 H2O 全体では、非共有電子対は 2 組あります。

4 〇 非共有電子対は 6 組

塩素原子 Cl は 17 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 7 個です。そこで下の電子式のように、電子対が 3 組と不対電子が 1 個あります。

この塩素原子が 2 個結合してできる塩素分子 Cl2 は、それぞれの不対電子 1 個が共有結合をつくります。

それぞれの塩素原子は、1 つの共有結合と 3 つの非共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

塩素分子 Cl2 全体では、非共有電子対は 6 組あります。

5 × 非共有電子対は無い

炭素原子 C は 14 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 4 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 4 個あります。

水素原子 H は 1 族元素であり、価電子は(最外殻電子数は) 1 個です。そこで下の電子式のように、不対電子が 1 個あります。

これら炭素原子 2 個と水素原子 4 個から、1 つのエチレン分子ができます。

炭素原子同士は 2 つの共有結合(二重結合)をつくります。炭素原子と水素原子は、それぞれが不対電子を 1 個ずつ出して共有結合をつくります。

エチレン分子内の炭素原子は、1 つの二重結合と 2 つの共有電子対があるので、最外殻に 8 個の電子をもつことになり、安定します。

エチレン分子内の水素原子は、1 つの共有電子対があるので、最外殻に 2 個の電子をもつことになり、安定します。

(K 殻に 2 個の電子が入ったヘリウムの電子配置をとると、水素原子は安定します。)

エチレン分子内の電子対はすべて共有結合に使われており、6 個の共有電子対があります。エチレン分子には非共有電子対はありません。

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