ルイス構造・VSEPR分子ラボ

中心原子の選択、配位子の追加、孤立電子対の配置により分子を作成します。ドラッグして3D VSEPR形状を回転させ、孤立電子対による結合角の歪みを観察します。

計算例 — ルイス構造・VSEPR分子ラボ

Steric Number (SN)	4
Formal Charge on Central Atom	0
Multi-lone-pair compression:	≈ 104.5°

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孤立電子対は結合よりも場所を取る 🖖

VSEPR（価電子殻電子対反発）理論は、中心原子の価電子殻内にある電子対が互いに反発し合うと仮定することで分子の形状を説明します。静電反発を最小限に抑えるため、これらの電子対は空間内で互いの距離を最大にするように配置され、直線型、四面体型、八面体型などの幾何学的形状を規定します。重要な詳細は、非共有電子対は共有電子対よりも多くの空間を占有することです。これは隣接する化学結合を互いに近づけ、理想的な結合角を歪めます。例えば、水は四面体型の電子配置を持ちますが、2つの非共有電子対による反発が H-O-H の結合角を理想的な 109.5° から 104.5° に縮めます。

平面の点から本当の立体へ 🖖

このラボは、平面的なルイス構造を、分子が実際にとる3次元の形へと変えます。手順はただの数え上げです。中心原子に結合した原子の数と孤立電子対の数を足して立体数を求めれば、その一つの数だけで形が決まります。見えない孤立電子対は、見える原子と同じだけ効きます。メタン (CH₄) とアンモニア (NH₃) はどちらも立体数が4ですが、アンモニアは結合を一つ孤立電子対に置き換えるため、平らに見える正四面体がピラミッド形へと傾きます。

超原子価をめぐるd軌道の神話 🖖

SF₄ や XeF₄ を組み立てると、このラボは sp³d あるいは sp³d² 混成と表示します。8個を超える電子を抱える中心原子についての教科書的な説明です。しかし計算化学はこれをほぼ否定しました。硫黄やキセノンのd軌道はエネルギーが高すぎて、意味のある寄与ができないのです。これらの超原子価分子は、配位子にまたがる3中心4電子結合でよりよく説明されます。つまり、目にする整った sp³d という表記は、物理的な実体というより有用な教育上の虚構なのです。

VSEPR — 電子領域を数え、そのうえで原子が作る形を名づける

あなたの分子はどの形をとるか

VSEPR に必要な数え上げは二つです。まず中心原子のまわりの電子領域 — 結合は含む電子対の数によらず一つと数え、孤立電子対も一つと数えます — これで電子対の幾何が決まります。次に原子だけを見ます。孤立電子対はそこにあり押し続けていますが、形を名づけるときには見えない存在です。次の六つの型で、予測を求められるものはほぼ尽きます。

電子領域が二つ — 直線形、180° AX₂ → 180°

電子領域が三つで孤立電子対なし — 三角形、120° AX₃ → 120°

電子領域が四つ・孤立電子対一つ — 三角錐形 AX₃E → 107.8°

電子領域が四つ・孤立電子対二つ — 折れ線形 AX₂E₂ → 104.5°

電子領域が五つ・孤立電子対一つ — シーソー形 AX₄E → 173° / 102°

電子領域が六つ・孤立電子対二つ — 平面四角形、90° AX₄E₂ → 90°

電子領域が二つ — 直線形、180°

わかっていること: 中心原子に電子領域が二つ、孤立電子対はなし。二重結合や三重結合も一つの領域として数える。

電子領域: AX₂ → 180°

計算例: CO₂：炭素は二重結合を二本もち孤立電子対はない → 領域 2 → 直線形、O=C=O はちょうど 180°

この型を開く: 二酸化炭素 (CO₂)

電子領域が二つ — 直線形、180°. 領域が二つで孤立電子対なし：原子は中心を通る一直線上に並ぶ。中心原子に電子領域が二つ、孤立電子対はなし。二重結合や三重結合も一つの領域として数える。 — 領域が二つで孤立電子対なし：原子は中心を通る一直線上に並ぶ。

電子領域が三つで孤立電子対なし — 三角形、120°

わかっていること: 電子領域が三つ、孤立電子対はなし。すべてが一つの平面に収まる。

電子領域: AX₃ → 120°

計算例: BF₃：ホウ素は単結合を三本もち孤立電子対はない → 領域 3 → 平面三角形、F–B–F = 120°

この型を開く: 三フッ化ホウ素 (BF₃)

電子領域が三つで孤立電子対なし — 三角形、120°. 結合領域が三つで同一平面：120° ずつ、ゆがめるものは何もない。電子領域が三つ、孤立電子対はなし。すべてが一つの平面に収まる。 — 結合領域が三つで同一平面：120° ずつ、ゆがめるものは何もない。

電子領域が四つ・孤立電子対一つ — 三角錐形

わかっていること: 電子領域は四つ、うち一つが孤立電子対。電子対の幾何は四面体形で、名づける形は三つの原子だけを数える。

電子領域: AX₃E → 107.8°

計算例: NH₃：窒素は結合三本と孤立電子対一つ → 領域 4 → 三角錐形、H–N–H は 109.5° ではなく 107.8°

この型を開く: アンモニア (NH₃)

電子領域が四つ・孤立電子対一つ — 三角錐形. 四面体形の電子配置で一つの頂点が見えない：原子は錐を作る。電子領域は四つ、うち一つが孤立電子対。電子対の幾何は四面体形で、名づける形は三つの原子だけを数える。 — 四面体形の電子配置で一つの頂点が見えない：原子は錐を作る。

電子領域が四つ・孤立電子対二つ — 折れ線形

わかっていること: 電子領域は四つで孤立電子対は二つ。電子対の幾何はやはり四面体形だが、結合している原子は二つだけ。

電子領域: AX₂E₂ → 104.5°

計算例: H₂O：酸素は結合二本と孤立電子対二つ → 領域 4 → 折れ線形、H–O–H = 104.5°

この型を開く: 水 (H₂O)

電子領域が四つ・孤立電子対二つ — 折れ線形. 結合二本と孤立電子対二つ：原子は直線ではなく折れ線を描く。電子領域は四つで孤立電子対は二つ。電子対の幾何はやはり四面体形だが、結合している原子は二つだけ。 — 結合二本と孤立電子対二つ：原子は直線ではなく折れ線を描く。

電子領域が五つ・孤立電子対一つ — シーソー形

わかっていること: 電子領域は五つ、うち一つが孤立電子対。電子対の幾何は三方両錐形で、位置に二種類の区別が生じる最初の形。

電子領域: AX₄E → 173° / 102°

計算例: SF₄：硫黄は結合四本と孤立電子対一つ → 領域 5 → シーソー形、軸方向の F–S–F は 173° に縮み、赤道方向の対は 102°

この型を開く: 四フッ化硫黄 (SF₄)

電子領域が五つ・孤立電子対一つ — シーソー形. 孤立電子対が赤道位置にある三方両錐形：原子はシーソーを作る。電子領域は五つ、うち一つが孤立電子対。電子対の幾何は三方両錐形で、位置に二種類の区別が生じる最初の形。 — 孤立電子対が赤道位置にある三方両錐形：原子はシーソーを作る。

電子領域が六つ・孤立電子対二つ — 平面四角形、90°

わかっていること: 電子領域は六つで孤立電子対は二つ。電子対の幾何は八面体形で、六つの位置はすべて同等。

電子領域: AX₄E₂ → 90°

計算例: XeF₄：キセノンは結合四本と孤立電子対二つ → 領域 6 → 平面四角形、F–Xe–F = 90°

この型を開く: 四フッ化キセノン (XeF₄)

電子領域が六つ・孤立電子対二つ — 平面四角形、90°. 孤立電子対が向かい合う八面体形の電子配置：原子は平らな正方形を作る。電子領域は六つで孤立電子対は二つ。電子対の幾何は八面体形で、六つの位置はすべて同等。 — 孤立電子対が向かい合う八面体形の電子配置：原子は平らな正方形を作る。

参考文献 (2)

Insight block 3 — the calculation that took the d orbitals away: E. Magnusson, "Hypercoordinate molecules of second-row elements: d functions or d orbitals?" Journal of the American Chemical Society 112(22), 7940–7951, 1990.
And the model the tool actually applies: R. J. Gillespie and R. S. Nyholm, "Inorganic stereochemistry." Quarterly Reviews, Chemical Society 11(4), 339–380, 1957 — where VSEPR was set out, including lone pairs occupying more space than bonding pairs.

全プロセスの詳細解説

電子数と104.5°の結合角から構成される水 5 ステップ
電子数のみから水分子を構築せよ：立体数、形式電荷、形状、および結合角。次に、なぜ結合角が 104.5° であり、形状が予測する 109.5° ではないのかを説明せよ。
1. 価電子を数え、対にする。酸素は 6 個、各水素は 1 個を出し、8 個の電子は 4 組の電子対となる。
  
  $valence = 6 (O) + 2 \times 1 (H) = 8 e^{-} = 4 pairs$
2. 2 組の対が結合を担うため、残りは非共有電子対である。立体数はその両方の種類をカウントする。なぜなら、どちらも空間を占有するからである——それこそが VSEPR が含む唯一の考え方である。
  
  $bonding pairs = 2 \Rightarrow lone pairs = 4 - 2 = 2 \Rightarrow SN = 2 + 2 = 4 (A X_{2} E_{2})$
3. 形式電荷は、その構造が妥当なものであるかを検証する：価電子数から非共有電子対の電子数を引き、共有電子数の半分を引く。ゼロは、それ以上に適切な配置が存在しないことを意味する。
  
  $FC = V - N - \frac{1}{2} B = 6 - 4 - \frac{1}{2} (4) = 0$
4. 立体数が 4 であることは、4 組の対が正四面体状に配置することを意味し、4 組すべてが同等であれば 109.5° となるはずである。実際にはそうではなく、圧縮の度合いは非共有電子対の数に応じて大きくなる。
  
  $SN = 4 \Rightarrow tetrahedral 109. 5^{\circ}; C H_{4} 109. 5^{\circ} \to N H_{3} 10 7^{\circ} \to H_{2} O 104. 5^{\circ}$
5. その結果として双極子が生じる。2 つの O–H 結合モーメントが 104.5° の角度でベクトル的に加算されて 1.85 D となる。分子を 180° に直線化すると、それらは完全に相殺される。
  
  $μ = 2 μ_{OH} cos \frac{104. 5 ^{\circ}}{2} = 2 (1.51) (0.611) = 1.85 D; 18 0^{\circ} \Rightarrow μ = 0$
解答

AX₂E₂、立体数 4、形式電荷 0、104.5° の折れ線形。5° の減少は非共有電子対によるものである。非共有電子対は 2 つの原子核間で共有されるのではなく 1 つの原子核のみに属するため、より広く空間に広がり、共有電子対を押し縮める——非共有電子対 1 対につき約 2.5° であり、これが一連の結合角がメタンの 109.5°、アンモニアの 107°、水の 104.5° となる理由である。この残余の折れ曲がりは単なる細部ではない。2 つの同一な結合を持つ直線状分子は正味の双極子を持たないが、水の 104.5° という角度は 1.85 D の双極子モーメントをもたらす。そして、溶媒として水が行う実質的にすべてのこと——塩類の溶解、水素結合の形成、同族の傾向に従えばより低い温度で沸騰するはずであるのにより重い H₂S よりも 160 K 高い温度で沸騰すること——は、この 5 度に起因している。

$A X_{2} E_{2}, SN = 4, FC = 0, bent at 104. 5^{\circ}$

42Math チーム · 更新 2026-07-27

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