電子対の反発が分子の形を決める
原子の周りの電子対はどれも負の電荷なので、互いに押し合います。できるだけ遠くへ広がろうとし、その配置がそのまま分子の三次元の形になります。結合に使われた電子対だけでなく、孤立電子対も場所を取り、押し合います。電子領域の数を数えるだけで直線形・平面三角形・四面体形などの骨格が決まり、孤立対があると角が押されて折れ線形や三角錐形になります。結合の極性をベクトルとして足せば、分子全体が極性か無極性かも分かります。
電子領域は互いに反発し、できるだけ遠くへ離れようとします。2 個なら正反対に開いて直線形(180°)、3 個なら平面三角形(120°)、4 個なら四面体形(109.5°)になります。5 個は三方両錐、6 個は八面体形です。ボタンで数を変えて、配置がどう自ら決まるか見てみましょう。
結合に使われた電子対は二つの原子の間に挟まれて狭いままですが、孤立電子対は一つの原子だけに束縛され、より広く膨らみます。そのため隣の結合対を強く押します。水は電子領域が 4 個なので理想的には 109.5° のはずですが、二つの孤立対が押して H-O-H 角を 104.5° まで狭め、分子を折り曲げます。孤立対をオン・オフして角が縮むのを確かめましょう。
分子の形をいうときは、電子対の配置と原子の位置を区別しなければなりません。電子領域が 4 個なら配置は常に四面体形ですが、その一部が孤立対だと、見える原子だけで判断した形は変わります。AX₄ は四面体形のまま、孤立対 1 個の AX₃E は三角錐形、孤立対 2 個の AX₂E₂ は折れ線形になります。トグルで電子領域全体と原子だけの見え方を切り替えて違いを見ましょう。
なぜ配置はちょうどそこに落ち着くのでしょうか。各対が互いに押し合う反発エネルギーの合計が最も小さくなる場所だからです。画面の一つの領域を最適な位置から引き離すと、隣に近づくほど反発の合計が跳ね上がります。手を離すと、最も広く開いた最小エネルギーの配置へ戻ります。その最小点こそ、私たちが実際に観測する分子の形です。
各結合は電気陰性度の差によって電子が一方に偏った小さな双極子です。分子全体の極性は、これら結合双極子をベクトルとして足した値です。二酸化炭素では二つの C=O 双極子が正反対を向くため打ち消し合い、正味はゼロで無極性です。水は折れ曲がっているので二つの O-H 双極子は打ち消されず上向きに合わさり、正味の双極子が残って極性になります。結合双極子と正味の双極子を切り替えて、向きの合成を確かめましょう。