第7章化学結合と分子の形
Resonance共鳴
Notice that the more likely structure for the nitrite anion in Example 7.8 may actually be drawn in two different ways, distinguished by the locations of the N-O and N=O bonds:
例題7.8で亜硝酸イオンのよりありそうな構造としたものは、実際には、N–O結合とN=O結合の位置が異なる2通りの書き方ができることに注目しよう。
If nitrite ions do indeed contain a single and a double bond, we would expect for the two bond lengths to be different. A double bond between two atoms is shorter (and stronger) than a single bond between the same two atoms. Experiments show, however, that both N–O bonds in have the same strength and length, and are identical in all other properties.
英語のヒント
亜硝酸イオンが本当に単結合と二重結合を1本ずつ含むなら、2つの結合長は異なると予想される。同じ2原子間では、二重結合のほうが単結合より短く、強い。しかし実験によると、の2つのN–O結合は強さも長さも等しく、それ以外のすべての性質も同一である。
It is not possible to write a single Lewis structure for in which nitrogen has an octet and both bonds are equivalent. Instead, we use the concept of resonance: if two or more Lewis structures with the same arrangement of atoms can be written for a molecule or ion, the actual distribution of electrons is an average of that shown by the various Lewis structures. The actual distribution of electrons in each of the nitrogen-oxygen bonds in is the average of a double bond and a single bond. We call the individual Lewis structures resonance forms. The actual electronic structure of the molecule (the average of the resonance forms) is called a resonance hybrid of the individual resonance forms. A double-headed arrow between Lewis structures indicates that they are resonance forms.
英語のヒント
窒素がオクテットを満たし、しかも両方の結合が等価になるようなのルイス構造を、1つだけで書くことはできない。代わりに、共鳴の概念を用いる。ある分子やイオンについて、原子の配列が同じである複数のルイス構造が書けるとき、実際の電子分布は、それらのルイス構造が示す電子分布の平均となる。の各窒素–酸素結合における実際の電子分布は、二重結合と単結合の平均である。個々のルイス構造を共鳴構造という。分子の実際の電子構造、すなわち共鳴構造の平均を、それらの共鳴構造の共鳴混成体という。ルイス構造の間に両矢印を書くと、それらが共鳴構造であることを示す。
We should remember that a molecule described as a resonance hybrid never possesses an electronic structure described by either resonance form. It does not fluctuate between resonance forms; rather, the actual electronic structure is always the average of that shown by all resonance forms. George Wheland, one of the pioneers of resonance theory, used a historical analogy to describe the relationship between resonance forms and resonance hybrids. A medieval traveler, having never before seen a rhinoceros, described it as a hybrid of a dragon and a unicorn because it had many properties in common with both. Just as a rhinoceros is neither a dragon sometimes nor a unicorn at other times, a resonance hybrid is neither of its resonance forms at any given time. Like a rhinoceros, it is a real entity that experimental evidence has shown to exist. It has some characteristics in common with its resonance forms, but the resonance forms themselves are convenient, imaginary images (like the unicorn and the dragon).
英語のヒント
共鳴混成体として記述される分子は、どちらか1つの共鳴構造で示される電子構造をもつことはない。この点を覚えておこう。分子が共鳴構造の間を行き来しているわけではない。実際の電子構造は、常にすべての共鳴構造が示すものの平均である。共鳴理論の先駆者の1人George Whelandは、共鳴構造と共鳴混成体の関係を説明するため、歴史上のたとえ話を用いた。サイを見たことのなかった中世の旅人は、サイがドラゴンとユニコーンの両方に共通する特徴を多くもつことから、両者の混成物だと表現した。サイがあるときはドラゴン、別のときはユニコーンになるわけではないのと同じように、共鳴混成体も、どの時点でも個々の共鳴構造のいずれかになるわけではない。サイと同様に、それは実験的証拠によって存在が示された実体である。共鳴構造と共通する特徴もいくつかもつが、共鳴構造そのものは、ユニコーンやドラゴンのような、便利な想像上の像にすぎない。
The carbonate anion, provides a second example of resonance:
共鳴のもう1つの例として、炭酸イオンを取り上げる。
One oxygen atom must have a double bond to carbon to complete the octet on the central atom. All oxygen atoms, however, are equivalent, and the double bond could form from any one of the three atoms. This gives rise to three resonance forms of the carbonate ion. Because we can write three identical resonance structures, we know that the actual arrangement of electrons in the carbonate ion is the average of the three structures. Again, experiments show that all three C–O bonds are exactly the same.
英語のヒント
中心原子がオクテットを満たすには、1個の酸素原子が炭素と二重結合をつくらなければならない。しかし、すべての酸素原子は等価であり、3個のうちどの原子からも二重結合をつくれる。そのため、炭酸イオンには3つの共鳴構造が生じる。同等な共鳴構造を3つ書けることから、炭酸イオンにおける実際の電子配置は、3つの構造の平均だとわかる。この場合も実験では、3つのC–O結合がすべてまったく同じであることが示される。
Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ
In a Lewis structure, formal charges can be assigned to each atom by treating each bond as if one-half of the electrons are assigned to each atom. These hypothetical formal charges are a guide to determining the most appropriate Lewis structure. A structure in which the formal charges are as close to zero as possible is preferred. Resonance occurs in cases where two or more Lewis structures with identical arrangements of atoms but different distributions of electrons can be written. The actual distribution of electrons (the resonance hybrid) is an average of the distribution indicated by the individual Lewis structures (the resonance forms).
英語のヒント
ルイス構造では、各結合の電子を各原子に半分ずつ割り当てるものとして扱うことで、それぞれの原子に形式電荷を割り当てられる。この仮定上の形式電荷は、最も適切なルイス構造を決める指針となる。形式電荷ができるだけ0に近い構造が望ましい。原子の配列は同じで、電子の分布が異なるルイス構造を2つ以上書ける場合には、共鳴が生じる。実際の電子分布である共鳴混成体は、個々のルイス構造、すなわち共鳴構造が示す分布の平均である。
Key Equations重要な式
Chemistry End of Chapter Exercises章末問題
Exercises 44–63練習問題 44–63
Exercise 44問題 44
Write resonance forms that describe the distribution of electrons in each of these molecules or ions.
次の各分子またはイオンの電子分布を表す共鳴構造を書きなさい。
(a) selenium dioxide, OSeO
(a) 二酸化セレン、OSeO
(b) nitrate ion,
(b) 硝酸イオン、
(c) nitric acid, HNO3 (N is bonded to an OH group and two O atoms)
(c) 硝酸、HNO3(NはOH基1個とO原子2個に結合している)
(d) benzene, C6H6:
(d) ベンゼン、C6H6:
(e) the formate ion:
(e) ギ酸イオン:
Exercise 45問題 45
Write resonance forms that describe the distribution of electrons in each of these molecules or ions.
次の各分子またはイオンの電子分布を表す共鳴構造を書きなさい。
(a) sulfur dioxide, SO2
(a) 二酸化硫黄、SO2
(b) carbonate ion,
(b) 炭酸イオン、
(c) hydrogen carbonate ion, (C is bonded to an OH group and two O atoms)
(c) 炭酸水素イオン、(CはOH基1個とO原子2個に結合している)
(d) pyridine:
(d) ピリジン:
(e) the allyl ion:
(e) アリルイオン:
Solution解き方
(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
Exercise 46問題 46
Write the resonance forms of ozone, O3, the component of the upper atmosphere that protects the Earth from ultraviolet radiation.
上層大気に含まれ、地球を紫外線から守るオゾンO3の共鳴構造を書きなさい。
Exercise 47問題 47
Sodium nitrite, which has been used to preserve bacon and other meats, is an ionic compound. Write the resonance forms of the nitrite ion,
ベーコンなどの肉の保存に用いられてきた亜硝酸ナトリウムは、イオン化合物である。亜硝酸イオンの共鳴構造を書きなさい。
Exercise 48問題 48
In terms of the bonds present, explain why acetic acid, CH3CO2H, contains two distinct types of carbon-oxygen bonds, whereas the acetate ion, formed by loss of a hydrogen ion from acetic acid, only contains one type of carbon-oxygen bond. The skeleton structures of these species are shown:
英語のヒント
酢酸CH3CO2Hが2種類の異なる炭素–酸素結合を含むのに対し、酢酸から水素イオンが1個失われてできる酢酸イオンが、1種類の炭素–酸素結合しか含まないのはなぜか。存在する結合に着目して説明しなさい。これらの化学種の骨格構造を示す。
Exercise 49問題 49
Write the Lewis structures for the following, and include resonance structures where appropriate. Indicate which has the strongest carbon-oxygen bond.
次のルイス構造を書き、必要な場合は共鳴構造も含めなさい。炭素–酸素結合が最も強いのはどれか示しなさい。
(a) CO2
(a) CO2
(b) CO
(b) CO
Solution解き方
Exercise 50問題 50
Toothpastes containing sodium hydrogen carbonate (sodium bicarbonate) and hydrogen peroxide are widely used. Write Lewis structures for the hydrogen carbonate ion and hydrogen peroxide molecule, with resonance forms where appropriate.
英語のヒント
炭酸水素ナトリウム(重炭酸ナトリウム)と過酸化水素を含む歯磨き剤が広く使われている。炭酸水素イオンと過酸化水素分子のルイス構造を書きなさい。必要な場合は共鳴構造も示すこと。
Exercise 51問題 51
Determine the formal charge of each element in the following:
次の各元素の形式電荷を求めなさい。
(a) HCl
(a) HCl
(b) CF4
(b) CF4
(c) PCl3
(c) PCl3
(d) PF5
(d) PF5
Solution解き方
(a) H: 0, Cl: 0; (b) C: 0, F: 0; (c) P: 0, Cl 0; (d) P: 0, F: 0
(a) H: 0, Cl: 0; (b) C: 0, F: 0; (c) P: 0, Cl 0; (d) P: 0, F: 0
Exercise 52問題 52
Determine the formal charge of each element in the following:
次の各元素の形式電荷を求めなさい。
(a) H3O+
(a) H3O+
(b)
(b)
(c) NH3
(c) NH3
(d)
(d)
(e) H2O2
(e) H2O2
Exercise 53問題 53
Calculate the formal charge of chlorine in the molecules Cl2, BeCl2, and ClF5.
Cl2、BeCl2、ClF5の各分子中の塩素の形式電荷を計算しなさい。
Solution解き方
Cl in Cl2: 0; Cl in BeCl2: 0; Cl in ClF5: 0
Cl2中のCl:0。BeCl2中のCl:0。ClF5中のCl:0。
Exercise 54問題 54
Calculate the formal charge of each element in the following compounds and ions:
次の化合物やイオン中の各元素の形式電荷を計算しなさい。
(a) F2CO
(a) F2CO
(b) NO–
(b) NO–
(c)
(c)
(d)
(d)
(e) H2CCH2
(e) H2CCH2
(f) ClF3
(f) ClF3
(g) SeF6
(g) SeF6
(h)
(h)
Exercise 55問題 55
Draw all possible resonance structures for each of these compounds. Determine the formal charge on each atom in each of the resonance structures:
次の各化合物について、考えられる共鳴構造をすべて書きなさい。それぞれの共鳴構造で、各原子の形式電荷を求めなさい。
(a) O3
(a) O3
(b) SO2
(b) SO2
(c)
(c)
(d)
(d)
Exercise 56問題 56
Based on formal charge considerations, which of the following would likely be the correct arrangement of atoms in nitrosyl chloride: ClNO or ClON?
形式電荷を考慮すると、塩化ニトロシルの正しい原子配列は、ClNOとClONのどちらだと考えられるか。
Exercise 57問題 57
Based on formal charge considerations, which of the following would likely be the correct arrangement of atoms in hypochlorous acid: HOCl or OClH?
形式電荷を考慮すると、次亜塩素酸の正しい原子配列は、HOClとOClHのどちらだと考えられるか。
Solution解き方
HOCl
HOCl
Exercise 58問題 58
Based on formal charge considerations, which of the following would likely be the correct arrangement of atoms in sulfur dioxide: OSO or SOO?
形式電荷を考慮すると、二酸化硫黄の正しい原子配列は、OSOとSOOのどちらだと考えられるか。
Exercise 59問題 59
Draw the structure of hydroxylamine, H3NO, and assign formal charges; look up the structure. Is the actual structure consistent with the formal charges?
英語のヒント
ヒドロキシルアミンH3NOの構造を書き、形式電荷を割り当てなさい。さらに構造を調べなさい。実際の構造は形式電荷と整合するか。
Exercise 60問題 60
Iodine forms a series of fluorides (listed here). Write Lewis structures for each of the four compounds and determine the formal charge of the iodine atom in each molecule:
ヨウ素は、次に示す一連のフッ化物をつくる。4つの化合物それぞれのルイス構造を書き、各分子のヨウ素原子の形式電荷を求めなさい。
(a) IF
(a) IF
(b) IF3
(b) IF3
(c) IF5
(c) IF5
(d) IF7
(d) IF7
Exercise 61問題 61
Write the Lewis structure and chemical formula of the compound with a molar mass of about 70 g/mol that contains 19.7% nitrogen and 80.3% fluorine by mass, and determine the formal charge of the atoms in this compound.
モル質量が約70 g/molで、質量比で窒素19.7%、フッ素80.3%を含む化合物のルイス構造と化学式を書き、その化合物中の原子の形式電荷を求めなさい。
Exercise 62問題 62
Exercise 63問題 63
Sulfuric acid is the industrial chemical produced in greatest quantity worldwide. About 90 billion pounds are produced each year in the United States alone. Write the Lewis structure for sulfuric acid, H2SO4, which has two oxygen atoms and two OH groups bonded to the sulfur.
硫酸は、世界で最も大量に生産される工業用化学物質である。米国だけでも年間約900億ポンドが生産される。硫黄に酸素原子2個とOH基2個が結合した硫酸H2SO4のルイス構造を書きなさい。
formal charge
形式電荷
charge that would result on an atom by taking the number of valence electrons on the neutral atom and subtracting the nonbonding electrons and the number of bonds (one-half of the bonding electrons)
中性原子の価電子数から、非結合電子の数と結合の数(結合電子数の半分)を引いて得られる、原子上の電荷。
molecular structure
分子構造
arrangement of atoms in a molecule or ion
分子またはイオン中の原子の配置。
resonance
共鳴
situation in which one Lewis structure is insufficient to describe the bonding in a molecule and the average of multiple structures is observed
分子の結合を1つのルイス構造では十分に説明できず、複数の構造の平均が観察される状態。
resonance forms
共鳴構造
two or more Lewis structures that have the same arrangement of atoms but different arrangements of electrons
原子の配置は同じで、電子の配置が異なる2つ以上のルイス構造。
resonance hybrid
共鳴混成体
average of the resonance forms shown by the individual Lewis structures
個々のルイス構造で示される共鳴構造の平均。






















