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電気陰性度とは?水素結合って?わかりやすい覚え方を東大生が解説!

はじめに

化学の勉強を進めていると、電気陰性度、電子親和力、イオン化エネルギーなど様々な指標が出てきます。
もしかするとあなたはこれらの順番の意味がごちゃごちゃになったりしていませんか?
受験生のときの私も同じで、沢山出てくる順番を覚えはするもののそれぞれの違いというのは曖昧になってしまっていました。
しかし、勉強を進めていくにつれ、こういった指標の表す意味とその使い方をしっかり理解することが理論化学の勉強のキモだということに気付きました。そしてそれぞれの使い方の違いを整理するといったような丁寧な勉強し始めてからは成績をグングンと伸ばしていくことができました。
今回の記事では、化学を得意科目として東大に現役合格することができた私が大事にしていた、受験に役立つ電気陰性度の考え方や覚え方を解説します!

電気陰性度ってそもそも何?

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電気陰性度とは何のことでしょう?
ひと言でいうと、「各原子が電子を引っ張る力の強さのランキング」です。

原子って電子を引っ張るの?

「どうして原子が電子を引っ張るの?ぐるぐる回っているだけじゃないの?」とお思いのあなたのために、まずは原子の仕組みからおさらいしましょう。
原子は中心に原子核があり、その周りを電子が回っている構造をしているのでした。
原子核は+の電荷を持っている陽子と電荷を持たない中性子からなっているので、原子核は全体で見れば正に帯電しています。一方電子は-の電荷を持っています。

電気陰性度の覚え方・「フオンクロブタシス」と唱えよう

さて、電気陰性度とはなんぞやという所がわかったところで受験でよく出てくる元素の電気陰性度について順番を見てみましょう。
大学入試を突破するために覚えておくべき電気陰性度の順番は
F>O>N=Cl>Br>C>S>H
よく使う語呂合わせで「フオンクロブタシス(不穏、黒豚死す)」というものがあります。
このフレーズさえしっかり覚えておけば、必要なときに思い出せますね!
中でも注意して押さえておきたいのが、Fフッ素、O酸素、N窒素の電気陰性度が特に高いこと(後で見る「水素結合」に深く関わってきます。)と水素の電気陰性度が低いことです。

電気陰性度は周期表の右上に行くほど強くなる

「どうして原子が電子を引っ張るのか」というところで見てきたとおり、原子核と電子は電気的な力で引き合っています。
物理の授業で「クーロンの法則」を習った人は思い出していただきたいのですが、電気的な引力(クーロン力)は「2つの電荷の積に比例し、距離の2乗に反比例する」のでした。
ということは、その引力の大小を比べた値である電気陰性度は、
・原子と電子の距離が近いほど高い
・原子の電荷が大きいほど高い
・電荷の大きさよりも、距離のほうが電気陰性度に与える影響は大きい(指数が大きいから)
と言えますね。
これらの事から、
・同族であれば周期が少ない原子の方が電気陰性度が高い
・同一周期であれば原子番号が大きくなるほど電気陰性度が高い
・第2周期であるフッ素、酸素、窒素の電気陰性度が高い
と言うことがわかります!
先ほど「フオンクロブタシス」で暗記した電気陰性度の順番にも、ちゃんと理屈が有ったのです!

この章のまとめ

・電気陰性度は「原子が電子を引っ張る力の強さ」のこと
・覚えるべき順番はF>O>N=Cl>Br>C>S>H(フオンクロブタシス)。特にフッ素、酸素、窒素が高いことは超重要!
・電気陰性度は周期表の右上に行けば行くほど高くなる

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電気陰性度って何に役立つの?

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電気陰性度とは何か、電気陰性度の覚え方や、その順番になる理由まで見てきました。
この電気陰性度という値ですが、定められたからには何らかの形で役に立つはずです。
電気陰性度はどういう風に役立つのか、その応用について見ていきます。

ポイントとなるキーワードは「極性」と「水素結合」です。
化学の問題集や過去問を見ていたら必ず出てくるこれらの用語が、いったいどういう形で電気陰性度と関連しているのか見ていきましょう。

「極性」は電気陰性度から生まれる

共有結合では、原子と原子が電子をお互いに共有して強い結合が生まれています。
価標を使って表現している図だと、電子は共有している原子のちょうど中間にあるように見えてしまいます。
しかし実際は、電気陰性度の高い方の原子に引っ張られています。
そのため分子全体では電荷を持たなくても、部分的に正に帯電していたり、負に帯電していたりする分子があるのです。

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例えばフッ化水素HFを見てみましょう。
フッ素は「フオンクロブタシス」のフで水素はスです。つまりフッ素と水素は電気陰性度に大きく差がある原子です。
そのためフッ化水素分子では、共有結合で共有されている電子がフッ素の側に引き寄せられています。
すると、(イオン程ではないものの)水素は+に、フッ素は-に帯電します。これをδ+、δ-と書きます。(上図参照)
この、1つの分子内での電荷の偏りのことを「極性」と言い、極性を持つ分子のことを「極性分子」と言います。

「水素結合」の正体は電気陰性度にあり!

分子によっては「電荷の偏り=極性」を持つものが存在することはわかりました。
それではこの極性が存在することによって、一体何が起きるのでしょうか?

クーロンの法則によると+や-など同じ様に帯電した電荷同士は反発して(斥力)、異なる電荷は引き合う(引力)のでしたね。
極性分子では各原子がそれぞれ+や-に帯電していますから、分子間で斥力や引力が働きます。
そんな力の中でも、大学受験において最も重要なものが「水素結合」と呼ばれる分子間に働く引力です。
もしかするとあなたも問題集の解答に「分子間で水素結合が形成されていて〜」とか書かれているのを見たことがあるかもしれません。
水素結合は記述試験のポイントになることがとても多く、当てずっぽうで書いたとしても当たっていることが多い「魔法の言葉」ですが、
名前から連想されるイメージと水素結合の実態とが一致しにくいこともあって、ここをしっかりと理解することが周りの受験生と差をつけるポイントになります。

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水素結合とは、「水素とフッ素・酸素・窒素などの電気陰性度の高い原子との共有結合でできる分子に存在する(比較的)大きな極性によって発生する強い分子間力」のことです。
水素「結合」ですが化学結合ではなく、あくまで分子間力であることは非常に大事なのでよく覚えていてください。
水素結合を形成する分子には、例えば「水(H2O),フッ化水素(HF),アンモニア(NH3)」などがあります。
ここでは例として水分子間の水素結合について見てみましょう。

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水分子はたった1つで孤立して存在していることはありません。
水の液体では、無数の水分子が集まって液体を為しているのです。
そのため水の液体の中では-に帯電した酸素原子と+に帯電した水素原子が大量に存在しています。
先ほど見てきたとおり正電荷と負電荷の間には引力が働きますから、水素原子と酸素原子は分子間で強く引き合っているのです。
この引き合い(図の点線)を指して「水素結合」と呼びます。

この水素結合は、他の分子間力(例:ファンデルワールス力)などよりも遥かに強い力です。
水やフッ化水素など水素結合を形成する分子の液体では分子同士が水素結合により互いに強く引き合っているため、高い沸点を示します。
「水素結合を形成する分子の沸点は高い」というのは非常に大事な事項なので、ぜひ覚えておいてください!

この章のまとめ

・異なる原子の共有結合だと電気陰性度に応じて「極性」が生まれる
・フッ素、酸素、窒素と水素の共有結合では「水素結合」が形成される
・「水素結合」を形成している分子は沸点が高い!

電気陰性度を使って解く問題

最後に、電気陰性度を使ってどのように問題を解くのかについてお話します。
今回は、マーク式と記述式の問題をそれぞれ1つずつ紹介します。
電気陰性度はその性質上計算問題と絡んで出題されることはまれなので、基本的な「電気陰性度とは?」「電気陰性度の順番を正しく覚えられている?」というような部分を押さえられているかどうかが分かれ目になります。

平成27年度センター試験化学第1問・問6

ここまで見てきたとおり、電気陰性度が原因で極性が発生し強い極性によって水素結合が生じるのでしたね。
センター化学の正誤問題では「極性」や「水素結合」というワードを使って引っ掛けさせる問題も出題されます。
センター化学で得点していくためにはこれらの言葉を理解していることが必要になりますが、勿論それには電気陰性度を正しく理解、覚えていることが前提になります。

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独立行政法人大学入試センターHPより引用

電気陰性度の大きな原子と水素との共有結合では、極性が生まれてそれによる引力=水素結合が発生すると見てきました。
分子間で水素結合を形成することができる分子は分子同士が強く引き合っているので沸点が高くなります。
今回グラフに登場する分子で、水素結合を形成するものは、水H2Oとフッ化水素HFです。(フッ素と酸素はフオンクロブタシスのフオなので電気陰性度が高いことは思い出せますよね!)
確かにグラフを見るとこれらの沸点は高くなっています。
なので、H2Oの沸点の高さを水素結合以外の理由で説明している①が誤りになります。

2016年東京大学 化学第1問

また、国公立二次試験や私立大学の入試では記述式で化学現象を正しく理解できているかどうかを確かめる問題も出題されます。
それは大学の難易度によらず、東京大学の入試問題でさえ「正しく電気陰性度を理解できていますか?」という部分を訊ねることもあるのです。
実際に近年出題されている問題を見てみましょう。

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東京大学HPより引用

東大の入試問題だからと言って萎縮すること無くよく読んでみると、設問は「水の沸点が高い」という誰でも知っている現象をヘキサンとの比較から説明しなさいということです。
水にあってヘキサンにないもの、それが水素結合であることを知っているあなたであれば、後は60字で表現するだけで答えることができます。

「極性分子の水は分子間で水素結合を形成するが無極性分子のヘキサンはしない。このため分子間力が水のほうが強く働くから。」
くらいの解答を用意できればOKです!
(残念ながら、この文字数では「水素結合を形成する理由=水素と酸素の電気陰性度の差」には触れることができません。記述式の問題では、字数や解答欄の大きさからより優先順位の高い内容を判断して記述していくことが大切です。)

最後に

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電気陰性度の覚え方や高さを決める要因と、電気陰性度によって発生する「極性」や「水素結合」について見てきました。
センター試験にも東大の試験にも出てくる通り、どんな難易度の試験でも正しく理解していることが問われるかなり重要な単元です。
「フオンクロブタシス」で絶対に忘れないように覚えつつ、しっかりと電気陰性度や極性が発生する仕組みについて理解しておきましょう!

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この記事を書いた人
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現役で東京大学理科2類に合格しました。いまは教養学部後期課程の4年生です。 得意科目は数学と化学、物理で、理系科目を中心に執筆していますので参考にしていただけると嬉しいです。

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