第7章化学結合と分子の形

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

Valence electronic structures can be visualized by drawing Lewis symbols (for atoms and monatomic ions) and Lewis structures (for molecules and polyatomic ions). Lone pairs, unpaired electrons, and single, double, or triple bonds are used to indicate where the valence electrons are located around each atom in a Lewis structure. Most structures—especially those containing second row elements—obey the octet rule, in which every atom (except H) is surrounded by eight electrons. Exceptions to the octet rule occur for odd-electron molecules (free radicals), electron-deficient molecules, and hypervalent molecules.

原子や単原子イオンではルイス記号を、分子や多原子イオンではルイス構造を書くことで、価電子の構造を視覚的に表せる。ルイス構造では、非共有電子対、不対電子、単結合、二重結合、三重結合を使い、各原子の周りで価電子がどこにあるかを示す。ほとんどの構造、特に第2周期の元素を含む構造は、各原子（Hを除く）の周りに電子が8個あるというオクテット則に従う。奇数電子分子（フリーラジカル）、電子不足分子、超原子価分子は、オクテット則の例外となる。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 23–43練習問題 23–43

Exercise 23問題 23

Write the Lewis symbols for each of the following ions:

次の各イオンのルイス記号を書きなさい。

(a) As^3–

(b) I^–

(d) O^2–

(e) Ga³⁺

(f) Li⁺

(g) N^3–

Solution解き方

(a) eight electrons:

(a) 電子8個：

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(b) eight electrons:

(b) 電子8個：

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(e) no electrons Ga³⁺
(f) no electrons Li⁺
(g) eight electrons:

(e) 電子なし：Ga³⁺(f) 電子なし：Li⁺(g) 電子8個：

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Exercise 24問題 24

Many monatomic ions are found in seawater, including the ions formed from the following list of elements. Write the Lewis symbols for the monatomic ions formed from the following elements:

海水には、次の元素からできるイオンを含め、多くの単原子イオンが存在する。次の元素からできる単原子イオンのルイス記号を書きなさい。

(a) Cl

(b) Na

(d) Ca

(e) K

(f) Br

(g) Sr

(h) F

Exercise 25問題 25

Write the Lewis symbols of the ions in each of the following ionic compounds and the Lewis symbols of the atom from which they are formed:

次の各イオン化合物に含まれるイオンのルイス記号と、それらのイオンになる前の原子のルイス記号を書きなさい。

(a) MgS

(b) Al₂O₃

(d) K₂O

(e) Li₃N

(f) KF

Solution解き方

(a)

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(b)

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(c)

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(d)

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(e)

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(f)

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Exercise 26問題 26

In the Lewis structures listed here, M and X represent various elements in the third period of the periodic table. Write the formula of each compound using the chemical symbols of each element:

ここに示すルイス構造で、MとXは周期表の第3周期にあるさまざまな元素を表す。それぞれの元素記号を使い、各化合物の化学式を書きなさい。

(a)

それぞれ角括弧で囲まれた2つのルイス構造が並ぶ。左はMの右上に2+がある。右はXの周りに非共有電子対が4組あり、角括弧の外側の右上に2−がある。

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(b)

それぞれ角括弧で囲まれた2つのルイス構造が並ぶ。左はMの右上に3+がある。右はXの周りに非共有電子対が4組あり、角括弧の外側の右上に負号、右下に3がある。

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(c)

それぞれ角括弧で囲まれた2つのルイス構造が並ぶ。左はMを囲む角括弧の外側の右上に正号、右下に2がある。右はXの周りに非共有電子対が4組あり、角括弧の外側の右上に2−がある。

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(d)

それぞれ角括弧で囲まれた2つのルイス構造が並ぶ。左はMを囲む角括弧の外側の右上に3+、右下に2がある。右はXの周りに非共有電子対が4組あり、角括弧の外側の右上に2−、右下に3がある。

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Exercise 27問題 27

Write the Lewis structure for the diatomic molecule P₂, an unstable form of phosphorus found in high-temperature phosphorus vapor.

英語のヒント

高温のリン蒸気中に見られる、リンの不安定な形態である二原子分子P₂のルイス構造を書きなさい。

Solution解き方

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Exercise 28問題 28

Write Lewis structures for the following:

次のルイス構造を書きなさい。

(a) H₂

(b) HBr

(d) SF₂

(e) H₂CCH₂

(f) HNNH

(g) H₂CNH

(h) NO^–

(i) N₂

(j) CO

(k) CN^–

Exercise 29問題 29

Write Lewis structures for the following:

次のルイス構造を書きなさい。

(a) O₂

(b) H₂CO

(d) ClNO

(e) SiCl₄

(f) H₃O⁺

(g)

{NH}_{4}^{+}

(g)

{NH}_{4}^{+}

(h)

{BF}_{4}^{−}

(h)

{BF}_{4}^{−}

(i) HCCH

(j) ClCN

(k)

C_{2}^{2+}

(k)

C_{2}^{2+}

Solution解き方

(a)

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In this case, the Lewis structure is inadequate to depict the fact that experimental studies have shown two unpaired electrons in each oxygen molecule.
(b)

英語のヒント

実験研究により、それぞれの酸素分子に2個の不対電子があることがわかっている。この場合、ルイス構造ではその事実を十分に表せない。(b)

Cが2個のHと単結合し、Oと二重結合しているルイス構造。Oは非共有電子対を2組もつ。

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(c)

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(d)

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(e)

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(f)

非共有電子対を1組もつOが3個のHと単結合しているルイス構造。全体を角括弧で囲み、右上に正号がある。

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(g)

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(h)

Bが、非共有電子対を3組ずつもつ4個のFと単結合しているルイス構造。全体を角括弧で囲み、右上に負号がある。

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(i)

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(j)

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(k)

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Exercise 30問題 30

Write Lewis structures for the following:

次のルイス構造を書きなさい。

(a) ClF₃

(b) PCl₅

(d)

{PF}_{6}^{−}

(d)

{PF}_{6}^{−}

Exercise 31問題 31

Write Lewis structures for the following:

次のルイス構造を書きなさい。

(a) SeF₆

(b) XeF₄

(c)

{SeCl}_{3}^{+}

(c)

{SeCl}_{3}^{+}

(d) Cl₂BBCl₂ (contains a B–B bond)

(d) Cl₂BBCl₂（B–B結合を含む）

Solution解き方

(a) SeF₆:

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(b) XeF₄:

非共有電子対を2組もつXeが、非共有電子対を3組ずつもつ4個のFと単結合しているルイス構造。

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(c)

{SeCl}_{3}^{+} :

(c)

{SeCl}_{3}^{+} :

非共有電子対を1組もつSeが、非共有電子対を3組ずつもつ3個のClと単結合しているルイス構造。全体を角括弧で囲んでいる。

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(d) Cl₂BBCl₂:

2個のBが互いに単結合したルイス構造。各Bは、非共有電子対を3組ずつもつ2個のClとも単結合している。

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Exercise 32問題 32

Write Lewis structures for:

次のルイス構造を書きなさい。

(a)

{PO}_{4}^{3−}

(a)

{PO}_{4}^{3−}

(b)

{ICl}_{4}^{−}

(b)

{ICl}_{4}^{−}

(c)

{SO}_{3}^{2−}

(c)

{SO}_{3}^{2−}

(d) HONO

Exercise 33問題 33

Correct the following statement: “The bonds in solid PbCl₂ are ionic; the bond in a HCl molecule is covalent. Thus, all of the valence electrons in PbCl₂ are located on the Cl^– ions, and all of the valence electrons in a HCl molecule are shared between the H and Cl atoms.”

次の記述を正しく直しなさい。「固体のPbCl₂の結合はイオン結合で、HCl分子の結合は共有結合である。したがって、PbCl₂の価電子はすべてCl^–イオン上にあり、HCl分子の価電子はすべてH原子とCl原子の間で共有される。」

Solution解き方

Two valence electrons per Pb atom are transferred to Cl atoms; the resulting Pb²⁺ ion has a 6s² valence shell configuration. Two of the valence electrons in the HCl molecule are shared, and the other six are located on the Cl atom as lone pairs of electrons.

Pb原子1個につき価電子2個がCl原子へ移動する。その結果生じたPb²⁺イオンは、6s²という価電子殻の電子配置をもつ。HCl分子では、価電子のうち2個が共有され、残る6個はCl原子上の非共有電子対となっている。

Exercise 34問題 34

Write Lewis structures for the following molecules or ions:

次の分子またはイオンのルイス構造を書きなさい。

(a) SbH₃

(b) XeF₂

Exercise 35問題 35

Methanol, H₃COH, is used as the fuel in some race cars. Ethanol, C₂H₅OH, is used extensively as motor fuel in Brazil. Both methanol and ethanol produce CO₂ and H₂O when they burn. Write the chemical equations for these combustion reactions using Lewis structures instead of chemical formulas.

英語のヒント

メタノールH₃COHは、一部のレーシングカーの燃料に用いられる。エタノールC₂H₅OHは、ブラジルで自動車燃料として広く使われる。メタノールもエタノールも、燃焼するとCO₂とH₂Oを生じる。化学式の代わりにルイス構造を使い、これらの燃焼反応の化学反応式を書きなさい。

Solution解き方

ルイス構造で表した2つの反応。上の反応の最初の構造では、CがH3個とO1個に単結合し、非共有電子対を2組もつそのOはH1個とも結合する。正号と1.5の次に、非共有電子対を2組ずつもつ2個のOが互いに二重結合した構造がある。右向きの矢印の先には、Cが2個のOと二重結合した構造があり、各Oは非共有電子対を2組もつ。その次に正号と2があり、非共有電子対を2組もつOが2個のHと単結合した構造が続く。下の反応の最初の構造では、CがH3個ともう1個のCに単結合する。2個目のCはH2個と、非共有電子対を2組もつO1個に単結合し、そのOはH1個とも結合する。正号と3の次に、非共有電子対を2組ずつもつ2個のOが互いに二重結合した構造がある。右向きの矢印の先には2があり、Cが2個のOと二重結合した構造が続く。各Oは非共有電子対を2組もつ。その次に正号と3があり、非共有電子対を2組もつOが2個のHと単結合した構造が続く。

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Exercise 36問題 36

Many planets in our solar system contain organic chemicals including methane (CH₄) and traces of ethylene (C₂H₄), ethane (C₂H₆), propyne (H₃CCCH), and diacetylene (HCCCCH). Write the Lewis structures for each of these molecules.

英語のヒント

太陽系の多くの惑星には、メタン（CH₄）や、微量のエチレン（C₂H₄）、エタン（C₂H₆）、プロピン（H₃CCCH）、ジアセチレン（HCCCCH）などの有機化合物が含まれる。これらの分子それぞれのルイス構造を書きなさい。

Exercise 37問題 37

Carbon tetrachloride was formerly used in fire extinguishers for electrical fires. It is no longer used for this purpose because of the formation of the toxic gas phosgene, Cl₂CO. Write the Lewis structures for carbon tetrachloride and phosgene.

英語のヒント

四塩化炭素はかつて電気火災用の消火器に使われた。しかし、有毒ガスのホスゲンCl₂COが生成するため、この目的にはもはや使われていない。四塩化炭素とホスゲンのルイス構造を書きなさい。

Solution解き方

2つのルイス構造。左はCが、非共有電子対を3組ずつもつ4個のClと単結合する。右はCが、非共有電子対を2組もつOと二重結合し、非共有電子対を3組ずつもつ2個のClとも単結合する。

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Exercise 38問題 38

Identify the atoms that correspond to each of the following electron configurations. Then, write the Lewis symbol for the common ion formed from each atom:

次の各電子配置に対応する原子を特定しなさい。次に、それぞれの原子から通常生じるイオンのルイス記号を書きなさい。

(a) 1s²2s²2p⁵

(b) 1s²2s²2p⁶3s²

(d) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

(e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p¹

Exercise 39問題 39

The arrangement of atoms in several biologically important molecules is given here. Complete the Lewis structures of these molecules by adding multiple bonds and lone pairs. Do not add any more atoms.

生物学的に重要ないくつかの分子の原子配列を示す。多重結合と非共有電子対を書き加え、それぞれのルイス構造を完成させなさい。原子は追加しないこと。

(a) the amino acid serine:

(a) アミノ酸のセリン：

ルイス構造。NがH2個とC1個に単結合する。そのCはH1個と、別のC2個にも単結合する。これら2個のCの一方はH2個とO1個に単結合し、そのOはH1個とも結合する。もう一方のCはO2個と単結合し、そのOの一方はH1個とも結合する。

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(b) urea:

(b) 尿素：

ルイス構造。NがH2個とC1個に単結合する。そのCはO1個および別のN1個にも単結合し、後者のNはH2個とも単結合する。

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ルイス構造。CがH3個と別のC1個に単結合する。2個目のCはO1個と3個目のCにも単結合する。3個目のCはO2個にも単結合し、そのOの一方はH1個とも単結合する。

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(d) uracil:

(d) ウラシル：

六角形の環状ルイス構造。環の頂点から時計回りにC、C、C、N、C、Nが単結合でつながる。頂点のCはO1個とも単結合する。2番目と3番目のC、およびその次のNは、それぞれH1個とも単結合する。次のCはO1個と、最後のNはH1個と、それぞれ単結合する。

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(e) carbonic acid:

(e) 炭酸：

Cが3個のOと単結合しているルイス構造。そのうち2個のOは、それぞれH1個とも単結合する。

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Solution解き方

(a)

ルイス構造。NがH2個とC1個に単結合する。そのCはH1個と、別のC2個にも単結合する。これら2個のCの一方はH2個とO1個に単結合し、そのOはH1個とも結合する。もう一方のCはO2個と単結合し、そのOの一方はH1個とも結合する。各Oには非共有電子対を表す点が2組ずつ、Nには1組ある。

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(b)

ルイス構造。NがH2個とC1個に単結合する。そのCはO1個および別のN1個にも単結合し、後者のNはH2個とも単結合する。Oには非共有電子対を表す点が2組、各Nには1組ずつある。

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(c)

ルイス構造。CがH3個と別のC1個に単結合する。2個目のCはO1個と3個目のCにも単結合する。3個目のCはO2個にも単結合し、そのOの一方はH1個とも単結合する。各Oには非共有電子対を表す点が2組ずつある。

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(d)

六角形の環状ルイス構造。環の頂点からC、C、C、N、C、Nが単結合でつながる。頂点のCはO1個とも単結合する。2番目と3番目のC、およびその次のNは、それぞれH1個とも単結合する。次のCはO1個と、最後のNはH1個と、それぞれ単結合する。各Oには非共有電子対を表す点が2組ずつ、各Nには1組ずつある。

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(e)

Cが3個のOと単結合しているルイス構造。そのうち2個のOは、それぞれH1個とも単結合する。各Oには非共有電子対を表す点が2組ずつある。

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Exercise 40問題 40

A compound with a molar mass of about 28 g/mol contains 85.7% carbon and 14.3% hydrogen by mass. Write the Lewis structure for a molecule of the compound.

モル質量が約28 g/molのある化合物は、質量比で炭素85.7%、水素14.3%を含む。この化合物の分子のルイス構造を書きなさい。

Exercise 41問題 41

A compound with a molar mass of about 42 g/mol contains 85.7% carbon and 14.3% hydrogen by mass. Write the Lewis structure for a molecule of the compound.

モル質量が約42 g/molのある化合物は、質量比で炭素85.7%、水素14.3%を含む。この化合物の分子のルイス構造を書きなさい。

Solution解き方

ルイス構造。CがH3個と別のC1個に単結合する。2個目のCは、さらに別のCと二重結合し、H1個とも単結合する。最後のCはH2個とも単結合する。

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Exercise 42問題 42

Two arrangements of atoms are possible for a compound with a molar mass of about 45 g/mol that contains 52.2% C, 13.1% H, and 34.7% O by mass. Write the Lewis structures for the two molecules.

モル質量が約45 g/molで、質量比でCを52.2%、Hを13.1%、Oを34.7%含む化合物には、2通りの原子配列が考えられる。その2つの分子のルイス構造を書きなさい。

Exercise 43問題 43

How are single, double, and triple bonds similar? How do they differ?

単結合、二重結合、三重結合は、どの点が似ているか。どの点が異なるか。

Solution解き方

Each bond includes a sharing of electrons between atoms. Two electrons are shared in a single bond; four electrons are shared in a double bond; and six electrons are shared in a triple bond.

いずれの結合でも、原子間で電子を共有する。単結合では電子2個、二重結合では電子4個、三重結合では電子6個を共有する。

double bond

二重結合

covalent bond in which two pairs of electrons are shared between two atoms

2つの原子間で2組の電子対を共有する共有結合。

free radical

フリーラジカル

molecule that contains an odd number of electrons

奇数個の電子を含む分子。

hypervalent molecule

超原子価分子

molecule containing at least one main group element that has more than eight electrons in its valence shell

価電子殻に8個を超える電子をもつ典型元素を、少なくとも1つ含む分子。

Lewis structure

ルイス構造

diagram showing lone pairs and bonding pairs of electrons in a molecule or an ion

分子またはイオンの非共有電子対と結合電子対を示した図。

Lewis symbol

ルイス記号

symbol for an element or monatomic ion that uses a dot to represent each valence electron in the element or ion

元素または単原子イオンの記号で、それぞれの価電子を1つの点で表すもの。

lone pair

非共有電子対

two (a pair of) valence electrons that are not used to form a covalent bond

共有結合の形成に用いられない2個（1対）の価電子。

octet rule

オクテット則

guideline that states main group atoms will form structures in which eight valence electrons interact with each nucleus, counting bonding electrons as interacting with both atoms connected by the bond

典型元素の原子は、各原子核と8個の価電子が相互作用する構造をつくるという指針。結合電子は、その結合でつながる両方の原子と相互作用するものとして数える。

single bond

単結合

bond in which a single pair of electrons is shared between two atoms

2つの原子間で1組の電子対を共有する結合。

triple bond

三重結合

bond in which three pairs of electrons are shared between two atoms

2つの原子間で3組の電子対を共有する結合。