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。