共有結合

共有結合は、原子間で電子を共有して電子対を形成する化学結合です。これらの電子対は、共有対または結合対として知られています。原子が電子を共有するときの、原子間の引力と斥力の安定したバランスは、共有結合として知られています。^{[ 1 ]}多くの分子では、電子を共有することで、各原子が完全な価電子殻に相当する状態になり、安定した電子配置になります。有機化学では、共有結合は、原子が分離していて単に静電引力によって結合しているイオン結合よりもはるかに一般的です。

共有結合には、σ結合、π結合、金属間結合、アゴスティック相互作用、曲がった結合、3中心2電子結合、3中心4電子結合など、多くの種類の相互作用が含まれます。^{[ 2 ] [ 3 ]}「共有結合」という用語は、1919年にアーヴィング・ラングミュアによって導入され、1920年代にはネヴィル・シジウィックが「共有結合」を使用しました。メリアム・ウェブスターは、特定のフレーズ「共有結合」を1939年に記録しており、^{[ 4 ]}その最初の使用例を認識しています。接頭辞co-（共同で、パートナーとして）は、「共有結合」が共有「原子価」を伴うことを示しており、これは原子価結合理論で詳しく説明されています。

分子Hにおいて₂、水素原子は共有結合によって 2 つの電子を共有します。 ^{[ 5 ]}イオン結合よりも共有結合の性質は、電気陰性度非局在化していると言われます。

結合に関して共有結合という用語は、1919年にアーヴィング・ラングミュアがアメリカ化学会誌に掲載した「原子と分子における電子の配置」というタイトルの記事で初めて使用しました。ラングミュアは、「共有結合という用語は、ある原子が隣接する原子と共有する電子対の数を表すものとする」と書いています。^{[ 6 ]}

共有結合の概念は、1919年より数年前にギルバート・N・ルイスに遡ることができ、彼は1916年に原子間の電子対の共有について記述しました^{[ 7 ]} （そして1926年には、放射エネルギーの最小単位として「光子」という用語も考案しました）。彼は、原子記号の周りの点として価電子（最外殻の電子）を表すルイス記法、電子点記法、またはルイス点構造を導入しました。原子間に位置する電子対は共有結合を表します。複数の電子対は、二重結合や三重結合などの多重結合を表します。ここに示されていない別の表現形式では、結合を形成する電子対は実線で表されます。^{[ 8 ]}

ルイスは、原子が十分な数の共有結合を形成して、完全な（または閉じた）外殻電子殻を形成すると提唱した。ここに示したメタンの図では、炭素原子の価数は4であり、したがって8個の電子に囲まれている（オクテット則）。これは炭素原子自身からの4個と、それに結合している水素原子からの4個である。各水素原子の価数は1であり、2個の電子に囲まれている（デュエット則）。これは水素原子自身の1個の電子と炭素原子からの1個の電子である。電子の数は、原子の量子論における完全な殻に対応する。炭素原子の最外殻はn  =  2殻であり、8個の電子を収容できるのに対し、水素原子の最外殻（かつ唯一の殻）はn  =  1殻であり、2個の電子しか収容できない。^{[ 9 ]}

While the idea of shared electron pairs provides an effective qualitative picture of covalent bonding, quantum mechanics is needed to understand the nature of these bonds and predict the structures and properties of simple molecules. Walter Heitler and Fritz London are credited with the first successful quantum mechanical explanation of a chemical bond (molecular hydrogen) in 1927.^[10] Their work was based on the valence bond model, which assumes that a chemical bond is formed when there is good overlap between the atomic orbitals of participating atoms.

Atomic orbitals (except for s orbitals) have specific directional properties leading to different types of covalent bonds. Sigma (σ) bonds are the strongest covalent bonds and are due to head-on overlapping of orbitals on two different atoms. A single bond is usually a σ bond. Pi (π) bonds are weaker and are due to lateral overlap between p (or d) orbitals. A double bond between two given atoms consists of one σ and one π bond, and a triple bond is one σ and two π bonds.^[8]

Covalent bonds are also affected by the electronegativity of the connected atoms which determines the chemical polarity of the bond. Two atoms with equal electronegativity will make nonpolar covalent bonds such as H–H. An unequal relationship creates a polar covalent bond such as with H−Cl. However polarity also requires geometricasymmetry, or else dipoles may cancel out, resulting in a non-polar molecule.^[8]

共有結合性物質には、個々の分子、分子構造、高分子構造、巨大共有結合構造など、いくつかの種類の構造があります。個々の分子は、原子同士を結びつける強い結合を持っていますが、一般的に分子間の引力は無視できるほど小さいです。このような共有結合性物質は通常、気体であり、例えば、HCl、SO₂、_CO₂、_CH₄など_があります。分子構造では、弱い引力が存在します。このような共有結合性物質は、沸点の低い液体（エタノールなど）や融点の低い固体（ヨウ素や固体CO₂_など）です。高分子構造は、多数の原子が共有結合で鎖状に連結されており、ポリエチレンやナイロンなどの合成ポリマー、タンパク質やデンプンなどの生体ポリマーが含まれます。ネットワーク共有結合構造（または巨大共有結合構造）は、多数の原子がシート状に連結されているもの（グラファイトなど）、または3次元構造（ダイヤモンドや石英など）です。これらの物質は融点と沸点が高く、脆いことが多く、電気抵抗率が高い傾向があります。電気陰性度が高く、3つまたは4つの電子対結合を形成する能力を持つ元素は、しばしばこのような大きな高分子構造を形成します。^{[ 11 ]}

1 個または 3 個の電子を持つ結合は、奇数個の電子を持つラジカル種に見られます。1 電子結合の最も単純な例は、二水素カチオンH ⁺ ₂に見られます。1 電子結合は、 2 電子結合の約半分の結合エネルギーを持つことが多く、そのため「ハーフ結合」と呼ばれます。ただし、例外もあります。二リチウムの場合、1 電子Li ⁺ ₂の結合は、 2 電子 Li _{2の結合よりも実際には強くなっています。この例外は、}混成軌道と内殻効果の観点から説明できます。 ^{[ 12 ]}

3 電子結合の最も単純な例は、ヘリウム二量体カチオンHe ⁺ ₂に見られます。これは、共有電子が 1 つ (2 つではなく) しかないため、「半結合」とみなされます。^{[ 13 ]}分子軌道の観点からは、3 番目の電子は反結合性軌道にあり、他の 2 つの電子によって形成される結合の半分を打ち消します。2 つの 2 電子結合に加えて 3 電子結合を含む分子のもう 1 つの例は、一酸化窒素NO です。酸素分子 O ₂も、 2 つの 3 電子結合と 1 つの 2 電子結合を持つとみなすことができ、これが常磁性と形式結合次数が 2 であることの説明になります。 ^{[ 14 ]}二酸化塩素とそのより重い類似物である二酸化臭素と二酸化ヨウ素も、3 電子結合を含んでいます。

奇数電子結合を持つ分子は通常、非常に反応性が高い。このような結合は、電気陰性度が類似した原子間でのみ安定である。^{[ 14 ]}

二酸素は、共有電子対が 2 対ある二重結合 (O=O) を持つオクテット則に従うものとして表されることがある。^{[ 15 ]}しかし、この分子の基底状態は常磁性であり、不対電子の存在を示している。ポーリングは、この分子は実際には 2 つの 3 電子結合と 1 つの通常の共有結合 (2 電子) を含むと提唱した。^{[ 16 ]}各原子のオクテットは、各 3 電子結合からの 2 つの電子、共有結合の 2 つの電子、および非結合電子の孤立対 1 つで構成される。結合次数は 1+0.5+0.5=2 である。

3電子結合を持つ修正ルイス構造

一酸化窒素

二酸素

分子内の電子配置と、それによって生じる実験的に決定された特性を説明するには、単一のルイス構造では不十分な場合があり、そのため構造の重ね合わせが必要になります。このような分子内の同じ 2 つの原子は、異なるルイス構造で異なる結合をすることがあります (一方は単結合、もう一方は二重結合、あるいは全く結合しない場合もあります)。その結果、非整数の結合次数が生じます。硝酸イオンは、3 つの等価な構造を持つそのような例の1 つです。窒素と各酸素の間の結合は、1 つの構造では二重結合であり、他の 2 つの構造では単結合であるため、各 N–O 相互作用の平均結合次数は2 + 1 + 1 / 3 = 4 / 3となります。^{[ 8 ]}

量子力学の発展後、化学結合の量子的な記述を提供する2つの基本的な理論、すなわち原子価結合（VB）理論と分子軌道（MO）理論が提案された。より最近の量子的な記述^{[ 19 ]}は、電子状態密度への原子の寄与という観点から与えられている。

共有結合に類似した効果が一部の核系で起こると考えられているが、その違いは共有されるフェルミオンが電子ではなくクォークであるという点である。 ^{[ 26 ]}高エネルギー陽子-陽子散乱断面積は、uクォークまたはdクォークのクォーク交換が短距離での核力の主要な過程であることを示している。特に、中間子が交換される湯川相互作用よりも優勢である。^{[ 27 ]}したがって、結合したハドロンが共有クォークを共通して持つ場合、クォーク交換による共有結合が短距離での核結合の主要なメカニズムになると予想される。^{[ 28 ]}

• 「共有結合 - 単結合」 . chemguide. 2000. 2012年2月5日取得。
• 「電子共有と共有結合」。オックスフォード大学化学科。2012年2月5日取得。
• 「化学結合」。ジョージア州立大学物理天文学部。2012年2月5日取得。

• 共有結合と分子構造（ 2009年2月10日アーカイブ、 Wayback Machine）
• 化学における構造と結合―共有結合