10.4: 分子形状と極性

分子の双極モーメント

極性共有結合は、電気陰性度の異なる2つの原子を結合するもので、電子がより電気陰性度の高い原子に引っ張られることにより、一方の原子には部分的に正の電荷（δ⁺）が、もう一方の原子には部分的に負の電荷（δ^-）が残ります。この電荷の分離により、結合双極子モーメントが発生します。結合双極子モーメントの大きさは、ギリシャ文字のmu（µ）で表され、Qは部分電荷の大きさ（電気陰性度の差で決まる）、rは電荷間の距離で、以下の式で与えられます。μ=Qr

この結合モーメントは、方向と大きさを持つ量であるベクトルとして表すことができます。双極子のベクトルは、電気陰性度の低い原子から電気陰性度の高い原子に向かって、結合に沿って矢印で示されます。電気陰性度の低い方の端に小さなプラス記号を描き、結合の部分的にプラスの端を示しています。矢印の長さは，2つの原子の電気陰性度の差の大きさに比例します。

分子の極性を決定する要因

また、分子構造や各結合の極性によっては、分子全体に電荷の分離が生じることがあります。このような電荷分離がある場合、その分子は極性分子と呼ばれ、そうでない場合は非極性分子と呼ばれます。双極子モーメントは、分子全体の正味の電荷分離の程度を示すものです。双極子モーメントは、分子構造を考慮しながら、3次元空間での結合モーメントを加算することで求められます。

二原子分子の場合、結合は一つしかないので、その結合の双極子モーメントが分子の極性を決定します。Br₂やN₂のような同核の二原子分子は、電気陰性度の差がないので、双極子モーメントはゼロです。COのような異核分子では、小さな双極子モーメントがあります。HFの場合は電気陰性度の差が大きいので、より大きな双極子モーメントがあります。

分子内に複数の結合がある場合、その形状を考慮しなければなりません。分子内の結合が、その結合モーメントが相殺される（ベクトル和がゼロになる）ように配置されていれば、その分子は非極性です。これは、CO₂の状況です。それぞれの結合は極性を持っているが、分子全体としては非極性です。ルイス構造とVSEPR理論から、CO₂分子は、炭素原子の反対側に極性のあるC=O結合を持つ直線状の分子であることがわかります。結合のモーメントは、反対方向に向いているため、相殺されます。水分子の場合も、ルイス構造から、中央の原子に2つの結合があることがわかり、電気陰性度の違いから、それぞれの結合がゼロでない結合モーメントを持つことが分かります。しかし、この場合は、Oの孤立電子対のために分子構造が曲がっており、2つの結合モーメントは相殺されません。したがって、水には正味の双極子モーメントがあり、極性分子（双極子）であることが分かります。

OCS 分子では、構造は CO₂ に似ているが、酸素原子の 1 つが硫黄原子に置き換えられています。

C-O結合はかなり極性があります。CとSの電気陰性度の値は非常に似ていますが、SはCよりもわずかに電気陰性であるため、C-S結合はわずかに極性を持ちます。酸素は硫黄よりも電気陰性であるため、分子の酸素側が負側になります。

クロロメタン（CH₃Cl）は、3つのわずかに極性のあるC-H結合と、より極性のあるC-Cl結合を持つ四面体の分子です。結合している原子の相対的な電気陰性度はH < C < Clであるため、結合モーメントはすべて分子のCl側に向き、合計するとかなりの双極子モーメントが得られます（分子は比較的極性が高い）。

BF₃（三角錐）、CH₄（四面体）、PF₅（三角両錐）、SF₆（八面体）のように対称性の高い分子では、すべての結合が同一の極性（同一の結合モーメント）を持ち、非極性の分子が得られるような幾何学的な配向をしています（双極子モーメントがゼロ）。しかし、幾何学的対称性の低い分子は、すべての結合モーメントが同一であっても極性を持つ場合があります。このような分子では、等しい結合モーメントの方向が、ゼロではない双極子モーメントの合計になるようになっており、極性分子となります。このような分子の例としては、硫化水素（H₂S）（非線形）、アンモニア（NH₃）（三角錐）などがあります。

要約すると、分子が極性になるには、次の条件を満たす必要があります。

1. 1 つ以上の極性共有結合を含む。
2. 各結合の双極子モーメントのベクトルの和が相殺されないような分子構造を持つ。

この文章は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 7.6 Molecular Structure and Polarity から引用されています。

フッ化水素酸にみられるような 共有結合では 電子はより電気陰性の 高い原子の方に 引っ張られます このような結合は 極性結合と呼ばれます 電荷分離により 結合双極子 モーメントと呼ばれる ベクトルが作成され これは ギリシャ文字のミューで示します その値は 部分電荷の大きさと それらの間の距離の積です このベクトルは 電子陰性度の 低い原子から 電子陰性度の高い 原子を指しており 結合双極子モーメントを 示しています その長さは2つの原子間の 電子陰性度の差の大きさに 比例します 異なる元素の原子を含む 二原子分子の多くは 双極子モーメントを持つため 極性分子です 静電ポテンシャルマップは 化合物の電子密度の高い領域と 低い領域をそれぞれ 赤と青の色で示しています 中間の色は中程度の 電子密度を表しています 多原子化合物では 正味の双極子モーメントは 個々の結合双極子モーメントと 化合物の形状によって決まります 2つの極性結合を持つ 水分子を考えてみましょう これは曲がった形をしており 極性分子です 対照的に 二酸化炭素分子は 直線状です 2つの炭素-酸素結合は 極性を持っていますが 逆方向に向いているため お互いの 双極子モーメントが相殺され 分子全体が非極性になっています 硫化カルボニル分子も 直線的です 但し カーボン酸素および カーボン硫黄の結合の 双極子モーメントは 互いに相殺されず 分子に 純双極子モーメントがあります 三フッ化ホウ素は 三角平面化合物です ホウ素-フッ素の 結合の双極子モーメントは 分子対称性のために 互いに取り消し 混合物は非極性です ただし 炭素-酸素結合と 炭素-硫黄結合の 双極子モーメントは 互いに打ち消し合うことはなく 分子には正味の 双極子モーメントがあります テトラフルオロメタンは 四面体分子であり 四つの同一の極性結合の 双極子モーメントが互いに 打ち消し合うため 非極性化合物です フルオロメタンは 四面体分子です しかし C-F結合は C-H結合に比べて 大きな双極子モーメントを持ち 結合の双極子モーメントが 互いに打ち消されないため 正味の双極子モーメントを 持っています 電場中では 極性分子は 正の端を負の板に 負の端を正の板の向きに 向けて配置します 対照的に 非極性分子は 電場の影響を受けません 一般的に 極性溶媒は 極性溶質を溶解し 非極性溶媒は 非極性溶質を溶解します 水は極性であり 一般的に砂糖として知られる ショ糖などの極性化合物を 容易に溶解します 油は非極性で 水中では混和性がありません