分子の極性と双極子モーメント

化学は物質とその変化を研究する学問です。化学結合において、極性と双極子モーメントの概念を理解することは、分子の挙動やその相互作用を説明するのに不可欠です。このテーマは複雑に見えるかもしれませんが、明確な説明と視覚的な例を用いることで、簡単に理解しやすくすることができます。

極性とは何ですか？

化学における極性は、原子、分子、または化学基の周りの電荷の分布を指します。これにより、分子が極性であるか非極性であるかが決まります。分子は電子密度の不均等な分布がある場合に極性を持ち、一方に部分的な正電荷があり、もう一方に部分的な負電荷が生じます。

極性結合と非極性結合

結合が極性を持つのは、関与する2つの原子の電気陰性度が異なる場合であり、1つの原子が共有電子対を他の原子よりも強く引き付けます。電気陰性度の差が大きいほど、結合は極性を持ちます。

極性結合の例:

H—Cl

この塩化水素 (HCl) 分子では、塩素は水素よりも電気陰性度が高いです。したがって、共有電子は塩素原子の周りにより多く滞在し、塩素に部分的な負電荷 (δ-)、水素に部分的な正電荷 (δ+) を与えます。

一方で、非極性結合は関与する原子の電気陰性度が同じまたは類似している場合に形成され、電子密度が均等に分布します。

非極性結合の例:

Cl—Cl

この塩素分子 ( _Cl2 ) は、両方の塩素原子が同じ電気陰性度を持っているため、電子が均等に共有されます。

分子の極性の理解

分子の全体的な極性は、結合の極性と形状の両方で決まります。たとえ分子が極性結合を持っていても、その形状が対称的である場合、結合双極子が打ち消し合うため、全体として非極性になることがあります。

例を見てみましょう:

CO ₂

二酸化炭素 (CO ₂ ) は極性を持つ炭素-酸素結合を含む分子です。しかし、分子は直線形であり、極性が打ち消し合ってCO ₂ は非極性分子となります。

対照的に、極性結合で構成される水分子（H ₂ O）を考えてみましょう:

酸素原子は水素より電気陰性度が高いので、H—O結合は極性を持ちます。分子の曲がった形のため、結合の極性は打ち消されず、極性分子となります。

極性の測定: 双極子モーメント

分子の極性の測定は、その双極子モーメントによって行われます。双極子モーメントは、ベクトル量であり、大小と方向の両方を持ちます。これはギリシャ文字のμ (ミュー) で表され、デバイ (D) 単位で測定されます。

双極子とは何ですか？

双極子は、分子内で電荷の分離があり、一部がわずかに正で、他の部分がわずかに負である場合に発生します。

以下の塩化水素（HCl）の例を考えてみましょう：

ここで、塩素は部分的な負電荷 (δ-) を持ち、水素は部分的な正電荷 (δ+) を持ち、塩素に向かって水素から双極子モーメントが生じます。

双極子モーメントの計算

双極子モーメントは次の方程式で計算できます:

μ = δ × d

ここで:

μ は双極子モーメントです。
δ は電荷差の大きさです。
d は電荷間の距離です。

双極子モーメントが大きいほど、分子はより極性を示します。

分子とその双極子モーメントの例

いくつかの例を見てみましょう:

フッ化水素 (HF)

HFでは、フッ素は水素よりもはるかに電気陰性度が高く、1.9 D という大きな双極子モーメントを生じます。

アンモニア ( _NH3 )

アンモニアもまた、その形状と窒素と水素の電気陰性度の差により、約1.47 D の双極子モーメントを持つ極性を示します。

メタン ( _CH4 )

しかし、メタンは四面体形状を持ち、対称分子内で電子が等しく共有されるため、双極子モーメントは0 D で非極性です。