無極性分子

たとえば二酸化炭素などは教科書の図などをみると電荷は電気陰性度の大きい方に偏って書かれています（たとえば二酸化炭素であればCはδ＋にOはδ－）。なら、電荷の偏りすなわち極性分子ではないのですか。その構造から結合モーメントのベクトル量の和や重心の位置を考えると無極性であることはわかりますが、なぜベクトル量や重心の位置で考える必要があるのですか。
二酸化炭素のように分子内で電荷の偏りがあってもトータルすると無極性という説明が、なんかしっくりこないので、すみませんがよろしくお願い致します。

No.9 ベストアンサー 回答者： ht1914 回答日時： 2007/05/10 00:27

極性＝電荷の偏り

とします。
この極性はまず結合の極性として現れます。これが分子の極性としてどれくらい残るかは構造によって異なります。

極性をどういう場面で問題にしているかを考えるといいと思います。分子と分子の間に働く力の大きさに対する判断が欲しいときですね。分子間力です。沸点や融点を問題にするとき、溶解を問題にするときです。
分子ですから電気量の合計はゼロです。（正か負の電気があればもっと大きい力が働きます。それはイオンの場合です。）
分子のある方向に正の電荷があって別の方向に負の電荷があるというのを電気２重極子（双極子）といいます。全体は中性なのに正と負の位置が少しずれているために正電荷から働く力と負電荷から働く力が完全には打ち消さないのです。ＨＣｌ分子ではＨが正、Ｃｌは負になっています。Ｈ２ＯではＨが正、Ｏは負です。ＨＯＨが直線ではないために２つのＨの中点と曲がり角のＯのところで正負の位置がずれています。
問題にされているＣＯ２はＯＣＯが直線になっています。負、正、負となっています。いくらか極性がありますのでＨ２とは違うのではないのかという疑問は確かに起こります。
ＯＣＯの場合、２重極ではありませんが４重極です。
２重極相互作用と４重極相互作用を比べると大きさに大きな差があります。イオンとイオンの相互作用が一番強いのですが次が２重極、その次が４重極と、がくっと変化します。普通極性分子というときはこの２重極を持っているものを指します。まず２重極を持っているかどうかで性質を比較してみようということです。
２重極を持っていない物質の中で比較する場合だと４重極が問題になるでしょう。（弱い相互作用について考えるときはもっと別の効果も考慮しなくてはいけないということも起こります。）

強さのイメージを磁石で考えてみます。小さな棒磁石がたくさんあるとします。磁石ですからＮＳという２重極ですね。２つの磁石を近くに置いた場合はＮＮ，ＳＳ，ＮＳのどれかで大きな力が働きます。二重極相互作用というのは２つの磁石を離して置いた場合に働く力を考えるものです。磁石と磁石の距離が磁石のＮＳの距離よりもかなり大きい場合です。離れている場合と近い場合とでちょっと力の働き方が異なってきます。今度は２つの磁石をくっつけてワンセットにしたもので考えます。
ＮＳ
ＳＮ
とくっつけてしまいます。近くではやはり磁力は働くとは思いますが少し離れると急に影響が小さくなるとは思いませんか。これは４重極です。
ＳＮ
ＮＳ
を裏側にくっつけるともっと働く力の範囲が小さくなるでしょう。これは８重極です。

水の中に極板を入れて正負の電圧をかけたとします。水の分子の中でＯが正極の方を向いているのと負極の方を向いているのとで平均的な数に差が生じることが予想されます。ＣＯ２だとこういう違いは出てきません。これは誘電率という量に対応するものですが極性分子であるかどうかが効いてきます。

こんなのでどうでしょう。

この回答へのお礼

遅い時間に、丁寧な返信ありがとうございます。
HCｌような物質を２重極、ＣＯ２のような物質を４重極といい４重極の極性は２重極よりかなり弱いということは磁石の説明がわかりやすかったです。つまり、二酸化炭素は無極性分子ではあるが、極性分子的な性質もわずかだが持っていると理解しました。
ただ、二酸化炭素が４重極というのがよくわかりませんでした。磁石の説明では磁石をくっつけてしまう形でたしかに４重極になっているのですが、二酸化炭素のどこに２重極が二つあるのでしょうか。

お礼日時：2007/05/10 09:01

No.11 回答者： ht1914 回答日時： 2007/05/10 14:04

＃９です。

磁石は類推の材料ですから必ずしもピッタリいってるかどうか心配な面があります。

図に書きにくいのですが
ＮＳ
ＳＮ
を４重極と書きました。これを斜めに見て下さい。誇張して引き延ばします。
　　　Ｓ
Ｎ　　　　　Ｎ
　　　Ｓ
こうすると
（Ｎ）（ＳＳ）（Ｎ）
と同じではないかと考えられますね。

ＣＯ２はＯ＝Ｃ＝Ｏで
（δ－）（２δ＋）（δー）
ですから対応させることができると思います。
（二酸化炭素の固体を考える時はこの力が問題になるでしょう。分子量が同じである無極性のプロパンと比べても性質が変わっていることに関係するのかも知れませんが詳しいことは知りません。）

水の場合は
（δ＋）
　　　（２δ－）
（δ＋）
ですが２つのδ＋の中点に２δ＋を考えると
（２δ＋）（２δ－）
の形になり２重極です。
正の側と負の側があります。
ＯＣＯの場合は外にあるのはどちらも負ですね。電界の中に置いてもどちら向きが時に多いということは起こりません。あったとしてもＨ２Ｏの場合に比べてわずかな差です。

極性分子の場合でも離れていて働く力と分子同士がくっつく位の近くにいるときに働く力とは性質が変わる可能性があります。別の分子が近くに来ると構造が変化して受け入れやすさが変わる場合もあるかも知れません。でも分子としての双極子が存在する場合は存在しない場合に比べて力の働き方が強いことは確かだと思います。

この回答へのお礼

初心者に対してもわかりやすい説明ありがとうございます。なんとなく掴めてきました。ただ、なんとなくというレベルなので勘違いもしてそうなので、少しずつ勉強していきます。

お礼日時：2007/05/10 14:55

No.10 回答者： Tacosan 回答日時： 2007/05/10 13:27

CO2 の 4重極ですが, これは「2個の C=O 結合」に由来するんじゃないでしょうか.

この 2個の結合の極性モーメントは, 同じ大きさで逆向きのために 2重極のレベルでは相殺されるのですが, もっと高次の 4重極のレベルでは相殺しきれずに残っちゃうって感じ? ちょうど, 「普通の双極子」が「双極子」のレベルで残るってのと同じだと思います.
もっと対称性の高い CH4 だと 16重極が残るらしいです. 計算してないけど.

この回答へのお礼

たびたびの返信ありがとうございます。メタンの１６重極というのがよくわからないけどすごいというか、もっと勉強しないとわからないことだと思いました。

お礼日時：2007/05/10 14:45

No.8 回答者： w-palace 回答日時： 2007/05/09 23:54

要するに、「分子全体の極性」と、「結合の極性」を分けて考えるということでしょう。

分子全体の極性と言うのは、双極子モーメントであらわされる物性値で、実験的の測定できます。
この、双極子モーメントでは、個々の結合の分極とその方向が関係してきますので、ベクトル量の合計を考慮することになります。ご質問で書かれているのは、まさにこの「分子全体の極性」の話です。
それに対して、結合の極性は実測できるものではなく、通常は、結合原子間の電気陰性度の差から想像するものです。
実際に物質を扱う立場からすれば、双極子モーメントはあまり意味を持たないように思います。つまり、物質を扱う上での感覚的なものとずれがあるからです。つまり、分子全体として極性がなくても（つまり、双極子モーメントが０でも）結合に極性があれば、極性溶媒に溶けやすいと言えます。
たとえば、双極子モーメントが０の分子であっても、メタンはC-H結合の極性が小さいために非極性であり、二酸化炭素はある程度の極性を有しています。そのために、ある程度水に溶けるといえるでしょう。

この回答へのお礼

返信ありがとうございます。「二酸化炭素のような物質は、無極性分子に分類されながら、実は極性分子のように振る舞う」ということと理解しました。だいぶ、すっきりしてきましたが、とすると無極性分子と極性分子の分類そのものに意味が余り無いような気がしますが・・・

お礼日時：2007/05/10 08:47

No.7 回答者： kb-nike 回答日時： 2007/05/09 21:40

議論のはじめに戻って：

＜なぜベクトル量や重心の位置で考える必要があるのですか。

分子全体を考えているからです。

＜二酸化炭素のように分子内で電荷の偏りがあってもトータルすると無極性という説明が、…

まさに、分子（対称な直線型）全体で、（すなわち、トータルで）無極性と言うことです。

この回答へのお礼

返信ありがとうございました。ということは、二酸化炭素は無極性分子といいながら、極性分子のようにふるまうことが予想されるのですが。そうであるなら、なぜ無極性分子という分類が必要なのでしょうか。まぎわらしいような気がするのですが・・・

お礼日時：2007/05/10 08:44

No.6 回答者： kb-nike 回答日時： 2007/05/09 21:21

ANo.3 です。

既に、ANo.5の回答者さんがお答えになっておられるとおりですが…

＜教科書の二酸化炭素を見ると電荷の偏りがあり十分極性による結合が考えられるのに分類は無極性分子というのかな…

（気体状の）二酸化炭素は、直線状の Ｏ＝Ｃ＝Ｏ の構造で分子全体としては（二つの二重結合が直線状にあるために）電荷の偏りが打ち消されて、すなわち「無極性」と言うことになります。

この回答へのお礼

返信ありがとうございます。参考になります。

お礼日時：2007/05/10 08:41

No.5 回答者： connykelly 回答日時： 2007/05/09 20:14

＞分子間力には極性による結合がありますが、二酸化炭素のような無極性分子には極性による結合は存在しないのでしょうか。

極性による結合にはイオン結合(例えばNaCl)と誘起双極子にもとづく分散力による結合があると思いますが、今の場合は誘起双極子による結合を問題にされていると思います。ここ↓にその辺りの説明が載っていますので一度ご覧になられてどうでしょうか。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1% …

＜蛇足＞
以下のことはご理解されているとのことですが折角ですから。。。(^^);;
双極子モーメント（μ）はご承知のようにδq＋とδq－の電荷が距離L離れているとき、大きさμ=δｑ×Lでプラス側からマイナス側への向きを持ったベクトルとして定義されます。二酸化炭素の場合、炭素（δ+)を中心として2個の酸素(δ-)が直線状に対称に配置していますね。炭素と片方の酸素の距離をＬとすると2つの双極子モーメントは互いに逆向きですからμ=L×δとするともう一方は-μ=L×δとなり、このベクトルを合成すると0となってします。つまり、永久双極子モーメントは0ということで、定義により無極性分子ということになります。

この回答へのお礼

返信ありがとございます。自分の悩みが整理されてきたように思います。
二酸化炭素が無極性分子でありながら極性分子のように振る舞うとしたら、二酸化炭素を無極性分子と扱うのはなんのためでしょうか。

お礼日時：2007/05/10 08:40

No.4 回答者： Tacosan 回答日時： 2007/05/09 20:03

実は, この質問のためにちょっと調べていたところ「CO2 は結合に極性があるので水に溶けやすい」という感じのページが見付かっていたりします.

ただ, 水に溶けるかどうかというのは別のファクターもあって, 無極性分子であるはずの O2 の方が極性を持つ CO より溶けやすいとか....

この回答へのお礼

返信ありがとうございます。わたしの悩みの根元に近づいてきている感じです。

お礼日時：2007/05/10 08:37

No.3 回答者： kb-nike 回答日時： 2007/05/09 18:08

文章が前後しますが…。

＜二酸化炭素のように分子内で電荷の偏りがあってもトータルすると無極性という説明…

極性分子（有極性分子）の定義：
電気双極子を持つ分子。
極性の結合を持ち、分子の対称性からその双極子モーメントが打ち消されないような場合に有極性分子となる。
（理化学事典より引用。）

＜なぜベクトル量や重心の位置で考える必要があるのですか。

ベクトル（量）を使えば大きさと方向を同時に計算できる。
分子の運動を考える際、分子の位置として、立体的な中心よりも、重心を用いた方が説明しやすい。したがって分子の極性も、立体的な中心を基点とするよりも、重心を基点とした方が使いyすい。

この回答へのお礼

返信ありがとうござます。ありがたいです。
わたしの質問のしかたが悪かったのかなと思い始めています。私は、二酸化炭素を無極性分子と言っていいのかな？
と思い始めてから悩み始めました。同じ無極性分子と言っても、水素と二酸化炭素では化学反応が違うのではないかと思ったからです。具体的には、分子間力には極性による結合がありますが、二酸化炭素のような無極性分子には極性による結合は存在しないのでしょうか。教科書の二酸化炭素を見ると電荷の偏りがあり十分極性による結合が考えられるのに分類は無極性分子というのかな、と思ったら無極性分子とは何かと悩んでしまったという次第です。
アドバイスありましたらお願い致します。

お礼日時：2007/05/09 19:23

No.2 回答者： Tacosan 回答日時： 2007/05/09 17:18

「極性分子」とか「無極性分子」ってのは分子全体を見ての話だから, 個々の結合だけを見て「ここに結合モーメントがある」って言っても無駄. 分子全体の結合モーメントの合計を考えてください.

もちろん個々の結合について極性を考えることもあるんだけど, そのときには「分子」と付けないはず.

この回答へのお礼

返信ありがとうございます。
こう解釈して良いでしょうか。「二酸化炭素は、分子全体では無極性である（と言う）が、個々の結合では極性がある」。
ということは、水素のような無極性分子の分子間力とは異なり、極性による分子間力もはたらくということでしょうか？。
また、極性溶媒である水に溶けやすいというの個々の結合に極性があるからでしょうか。
返信ついでの質問ですみません・・・・。

お礼日時：2007/05/09 19:15