結合次数の求め方|1.5や2.5になる理由をMO法まで解説

結合次数は、

原子同士がどれくらい強く結びついているか

を表す基本かつ重要な指標です。

しかし実際には、

  • 結合次数ってどう求めるの?
  • 1.5とか2.5って何?
  • ルイス構造とMO法はどう使い分ける?

と疑問が出やすいテーマでもあります。

この記事では、

  • ルイス構造からの求め方
  • 共鳴構造がある場合の考え方
  • 分子軌道法(MO法)による計算手順
  • NO分子の具体例
  • 典型分子の結合次数一覧

までを体系的に解説します。

結合次数とは?

結合次数(bond order)とは、

2原子間に形成されている結合の数を数値で表したもの

です。

結合次数が示す意味

一般に:

  • 結合次数が大きい
     → 結合が強い
     → 結合長が短い
  • 結合次数が小さい
     → 結合が弱い
     → 結合長が長い

という関係があります。

つまり結合次数は、

結合の強さと長さを予測する指標

です。

簡単な結合次数の算出:Lewis式からの算出

基本ルール

=結合次数 = 共有電子対の数

具体例

結合結合次数
単結合1
二重結合2
三重結合3

多くの分子では、この方法で十分です。

共鳴構造がある場合の結合次数

共鳴構造をもつ分子では、

結合次数は平均値で考える

のが簡易的かつ実用的です。

ベンゼンの例

ベンゼンでは二重結合が交互に現れる2つの共鳴構造を持ちます。

平均すると:

1+22=1.5\frac{1 + 2}{2} = 1.5

➢ C–C結合次数は1.5

これは、

  • π電子が環全体に非局在化
  • すべてのC–C結合が等価

であることを意味します。

ベンゼンの結合次数

MO法で結合次数を求める理由

ルイス構造では、

  • 奇数電子分子
  • 電子が強く非局在化する分子

を正確に扱えません。

そこで必要になるのが、

分子軌道法(MO法)

です。

MO法による結合次数の求め方

Step1:分子軌道図を描く

原子軌道を組み合わせて、

  • 結合性軌道(低エネルギー)
  • 反結合性軌道(高エネルギー)

を作ります。

分子軌道の形成:水素分子の例

Step2:電子を配置する

ルール:

  • 低エネルギーから入れる
  • 1軌道に最大2電子
  • 同エネルギー軌道はまず1個ずつ

Step3:結合次数を計算

=2結合次数 = \frac{結合性電子数 – 反結合性電子数}{2}

これがMOによる結合次数の定義式です。

NO分子で実際に計算してみる

NO(一酸化窒素)はMO法による結合次数算出を理解する上で重要な例です。

電子数

  • N:5個
  • O:6個
    ➢ 合計11個(奇数電子)

電子配置

結合性MO:8電子
反結合性MO:3電子

一酸化窒素(NO)の分子軌道

結合次数計算

832=2.5\frac{8 – 3}{2} = 2.5

➢ NOの結合次数は2.5

ルイス構造では自然に扱いにくい値です。
ここにMO法の価値があります。

典型分子の結合次数一覧

分子結合次数ポイント
H₂1基本例
O₂2常磁性分子
N₂3非常に強い結合
CO3N₂並みの結合強度
NO2.5奇数電子分子
ベンゼン1.5π電子非局在化

まとめ|結合次数がわかると分子が読める

  • まずはルイス構造で結合の数を確認する
  • 共鳴構造をもつ分子では平均値として結合次数を考える
  • 1.5のような値はπ電子の非局在化によって生じる
  • 奇数電子分子や非局在化が強い場合はMO法で扱う
  • 2.5のような端数は反結合性軌道に電子が入ることで生じる
  • 結合次数は整数とは限らない

結合次数を理解すると、

  • 結合の強さ
  • 結合長
  • 分子の安定性

まで予測できるようになります。

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