HO C HO O

【問題の解と解説】H23.07.06
問 1 a：誤，b：誤，c：正，d：誤，e：誤，f：正，g：正，h：正，i：正，j：誤，k：誤，
l：誤，m：正，n：誤
問2
bとd
問3
N 原子の価電子の電子配置は 2s22p3 であるが，NH4+の N では電子が１個欠けている
ので，電子配置は 2s22p2 である。これは C 原子の電子配置と同じである。したがって，
NH4+の立体構造はメタン CH4 の立体構造と同じで，正四面体となる。
問4
CO2 は直線分子であるから，中央の C 原子は sp 混成によってσ結合の骨格を形成し
ていると考えられる。残りの２つの p 軌道は互いに直交している（分子軸を x 軸方向
とすると，２つの p 軌道は y 軸方向と z 軸方向に広がっている）。これらの p 軌道は
それぞれ左右の O 原子上の p 軌道とπ結合を形成しているが，互いに直交して y 軸方
向と z 軸方向に広がっている。
［C 原子］[He] ⇅ ↑ ↑
2s
2p
問5
［O 原子］[He] ⇅ ⇅ ↑ ↑
2s
2p
⇩昇位
⇩昇位
↑ ↑
↑ ↑
sp 混成軌道
⇅ ⇅ ↑
sp2 混成
↑
H2CO3 は H+と CO32−が結合した分子である。
C 原子は sp2 混成軌道によって３つの O 原子と結合し，平面三角形となり，∠OCO は
それぞれ 120°である。H-O-C 結合の O 原子は sp3 混成軌道で，H−O と O−C のσ結
合を形成する。一方，-C=O の O 原子は sp2 混成軌道によって，σ結合およびπ結合を
形成している。
σ結合と
π結合
HO
σ結合
C
HO
1
O
問6
ホウ素 B の電子配置は 1s22s2p1 である。B 原子の価電子の電子配置が 2s22p1 のままで
あれば，2s 電子はスピンが対になった非共有電子対で，水素との化合物は BH となる
はずである。BH3 となるには，B 原子の 2s 電子が１個 2p 軌道に昇位して sp2 混成軌道
を形成しなければならない。よって，BH3 の立体構造は平面三角形で，∠HBH は全て
120°，B-H の結合は全てσ結合である。
H
H
B
H
問7
P 原子の価電子の電子配置は 3s23p3 で，基底状態では 3p 軌道電子 3 個が不対電子と
なっている。一方，Cl 原子の価電子の電子配置は 3s23p5 で 3p 軌道電子１個が不対電
子となっている。このままで，P 原子の 3p 軌道不対電子３個が Cl 原子の 3p 軌道不対
電子と共有結合を形成すると PCl3 となる。PCl3 の立体構造は AX3E 型，アンモニアと
類似のピラミッド形と考えられる。また，sp3 混成軌道を形成しても孤立電子対を含ん
だ形で正四面体となり，PCl3 分子はピラミッド形を形成する。P-Cl 結合はいずれもσ
結合，結合角は 109.5°と推定される。
P 原子：[Ne] ⇅ ↑ ↑ ↑
3s
3p
Cl 原子：[Ne] ⇅ ⇅ ⇅ ↑
3s
3p
⇩昇位
⇅ ↑ ↑ ↑
sp3 混成軌道
PCl5 となるためには，3s 軌道電子がスピン対を解除しなければならない。第 3 周期
の原子では 3d 軌道が空いており，PCl5 の P 原子の電子配置は次のようになる。
P 原子：[Ne] ⇅ ↑ ↑ ↑
3s
3p
3d
⇩昇位
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
sp3d 混成軌道
sp3d 混成軌道は三角両錐体であるから，PCl5 の立体構造は下図の様になる。P-Cl 結合
はいずれもσ結合である。
2
問8
SO2 のルイス構造は右図の様に表される。
O
S
O
S 原子の電子配置は，[Ne] 3s23p4 で，3p 軌道に２つの不対電子をもつ。同様に，O 原子
の電子配置は [He] 2s22p4 で，p 軌道に２つの不対電子をもつ。そのため，S 原子が２個
の O 原子と結合するのに４つの不対電子が必要となる。3p 軌道のスピン対を解除して，
3d 軌道に昇位させると，
S 原子 [Ne] ⇅ ⇅ ↑ ↑
3s
3p
⇩昇位
↑⇓ ↑⇓
⇅ ↑↓ ↑↓
sp2 混成軌道
3p
3d
↓：O 原子からの電子→σ結合の形成
⇓ ：O 原子からの電子→π結合の形成
各 O 原子の価電子の１つは S 原子の sp2 混成軌道の電子とσ結合を形成し，もう１つは
混成軌道から外れた電子とπ結合を形成する。
O 原子
[He] ⇅ ⇅ ↑ ↑
2s
2p
⇩昇位
↑⇓
2p
⇅ ⇅ ↑↓
2
sp 混成軌道
↓：S 原子からの電子→σ結合の形成
⇓ ：S 原子からの電子→π結合の形成
つまり，S 原子の sp2 混成軌道により平面三角形となるため，SO2 は AX2E 型の水分子
と類似の非線形構造となる。S-O はそれぞれ２重結合（σ結合とπ結合），∠OSO は
120°となる。S 原子は１つの非共有電子対，O 原子はそれぞれ２つの非共有電子対を
もつ。
S
S
O
O
O
3
O
問9
O
リン酸 H3PO4 のルイス構造式を最初に描いてみよう。
2
3
P 原子の電子配置は [Ne] 3s 3p で，価電子は昇位して
H O P O H
3
sp 混成軌道となり，４個の O 原子から不対電子を受け入れ，σ結
O
合を形成する。
H
［P 原子］
↑⇩
3d
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
3s
3p
3
sp 混成軌道
↓：O 原子からの電子→σ結合の形成
⇩：O 原子からの電子→π結合の形成
O 原子の電子配置は [He] 2s2 2p4 で，2p 軌道に２つの不対電子をもつ。
P−O−H の O 原子の価電子は，昇位して sp3 混成軌道となり，P 原子の sp3 混成軌道
の電子および H 原子の 1s 軌道電子とσ結合を形成する。
［O 原子］ ⇅ ⇅ ↑↓ ↑⇩
2s
2p
↓：P 原子からの電子→σ結合の形成
sp3 混成軌道
⇩：H 原子からの電子→σ結合の形成
P→O の O 原子の価電子は，昇位して sp2 混成軌道となり，P 原子の電子とσ結合お
よびπ結合を形成する。
O
［O 原子］
↑⇩
----π結合
2p
⇅ ⇅ ↑↓
----σ結合
sp2 混成軌道
P
つまり，P 原子の sp3 混成軌道により四面体となるため，H3PO4
の立体構造は AX4 型で CH4 分子と類似の構造となる。
問 10 B 原子の電子配置は [He]2s22p1 で，sp2 混成軌道をとることか
ら，BF3 は平面三角形である。N 原子の電子配置は [He]2s22p4 で，
sp3 混成軌道によって NH3 はピラミッド形である。各分子のルイ
ス構造式は右図に示す。
B 原子の空の 2p 軌道と N 原子の 2p 軌道の非共有電子対が配位
結合をする。その結果，B 原子も N 原子も４対の電子をもち，CH4
と同じように sp3 混成軌道を形成すると考えられる。実際，付加化
合物 BF3-NH3 はエタン CH3-CH3 と同じ立体構造をしている。
4
HO
OH
OH
F
H
F
H
B
N
F
H
H
H
B
N
H
H
H
H