結合の極性と双極子モーメントをわかりやすく解説（無料の判定ツール付き）
要点：結合は、2つの原子の電気陰性度が異なるとき極性になります。ポーリングの値でΔENが0.4未満なら無極性共有結合、0.4〜1.7なら極性共有結合、1.7超なら通常イオン結合です。電気陰性度の大きい原子がδ−になります。分子は、結合双極子が打ち消し合わないとき極性になり、これはVSEPRによる形で決まります：H₂O（折れ線形）は1.85 Dの極性分子、CO₂（直線形）は無極性分子です。無料のMolDraw結合の極性・双極子チェッカーで両方を求められます。
結合の極性と電気陰性度
電気陰性度（χ）は、原子が結合中の電子を引きつける強さです。ポーリングの尺度ではフッ素が3.98で最も高く、次いで酸素3.44、塩素3.16、窒素3.04です。炭素は2.55、水素は2.20です。
異なる2つの原子間の結合では、電子は電気陰性度の大きい原子の近くにより長く存在します。その原子は部分的な負電荷（δ−）を、もう一方の原子は部分的な正電荷（δ+）を帯びます。この電荷の偏りが結合双極子です。
| ΔENが0.4未満 | 無極性共有結合。例：Cl–Cl（0）、C–H（0.35）。 |
|---|---|
| ΔENが0.4〜1.7 | 極性共有結合。例：C–O（0.89）、H–Cl（0.96）、O–H（1.24）。 |
| ΔENが1.7〜2.0 | 境界領域。多くの教科書では1.7超をイオン結合としますが、2.0超とするものもあります。H–F（1.78）は共有結合性の分子です。 |
| ΔENが2.0超 | イオン結合。例：Na–Cl（2.23）、K–F（3.16）。 |
イオン性の割合はポーリングの式で推定できます：イオン性(%) = (1 − e^(−ΔEN²/4)) × 100。ΔENが1.7だとイオン性は約51%となり、これが1.7という境界値の由来です。
分子が極性になるのはどんなとき？
結合双極子はベクトルです。分子の3D形状を使って足し合わせます：
- ルイス構造式を描き、VSEPRで形状を求めます。
- すべての極性結合に、δ−の原子を向く双極子の矢印を描きます。
- 矢印を足し合わせます。打ち消し合えば無極性分子、そうでなければ極性分子です。
簡単な判定法：中心原子に非共有電子対がなく、外側の原子がすべて同じなら無極性分子です（CO₂、BF₃、CCl₄、PCl₅、SF₆）。非共有電子対を持っていても対称で無極性になる形が2つあります：直線形AX₂E₃（XeF₂）と平面四角形AX₄E₂（XeF₄）です。それ以外の形で非共有電子対を持つ場合（NH₃、H₂O、SF₄、ClF₃）や、外側の原子が異なる場合（CHCl₃、CH₂Cl₂）は正味の双極子が生じます。
結合の極性・双極子チェッカーの使い方
- 結合の極性・双極子チェッカーを開きます。
- 結合：2つの元素で元素Aと元素Bを選ぶか、H–Cl、C–O、Na–Clなどの例を押します。結果にはΔEN、カラースケール上の結合の種類、どちらの原子がδ−か、計算過程付きのイオン性（%）が表示されます。AとBを入れ替えで組み合わせを反転できます。
- 分子：極性か無極性か？に切り替えます。
XeF4のような化学式やCl/C=C\ClのようなSMILES文字列を入力して極性を判定を押すか、例を押します。 - 形、電子対の配置、結合角、結合双極子のベクトル和、そして（わかっている場合は）デバイ単位の実測双極子モーメントを読み取ります。
- 図には各原子のδ+とδ−、各極性結合の紫色の矢印、そして分子が極性の場合は青緑色の正味の双極子の矢印が表示されます。破線の結合は奥向きです。
- Reasoningの一覧で各段階が説明されるので、その論理を解答に書き写せます。
例題
1. H–Cl結合
ΔEN = 3.16 − 2.20 = 0.96なので、Clがδ−、Hがδ+の極性共有結合です。イオン性(%) = (1 − e^(−0.2304)) × 100 = 20.6%。HClの双極子モーメントは1.11 Dです。
2. 水、H₂O
Oは結合原子2つと非共有電子対2つを持ちます：AX₂E₂、折れ線形、104.5°。各O–H結合はΔEN = 1.24でOがδ−です。2つの双極子は部分的に同じ方向を向くので足し合わされます。水は極性分子で、1.85 Dです。
3. CCl₄とCHCl₃
どちらも四面体形です。CCl₄では4つのC–Cl双極子（ΔEN 0.61）が打ち消し合います：無極性、0 D。CHCl₃ではClの1つがHに置き換わっているため、双極子が打ち消し合いません：極性、1.04 D。
4. SF₄とXeF₄
SF₄はAX₄Eのシーソー形で、S–F双極子が打ち消し合わないので極性です（0.63 D）。XeF₄はAX₄E₂の平面四角形で、2つの非共有電子対が互いに反対側にあり、Xe–F双極子が打ち消し合うので無極性です。
5. cis-およびtrans-1,2-ジクロロエテン
どちらも平面です。cis体では2つのC–Cl双極子が同じ側を向きます：極性、1.90 D。trans体では反対方向を向いて打ち消し合います：無極性、0 D。この違いにより、cis体（60 °C）はtrans体（48 °C）より沸点が高くなります。
まとめの表
| H₂O | 折れ線形（AX₂E₂）：極性、1.85 D |
|---|---|
| NH₃ | 三角錐形（AX₃E）：極性、1.47 D |
| CO₂ | 直線形（AX₂）：無極性、0 D |
| BF₃ | 平面三角形（AX₃）：無極性 |
| CCl₄ | 四面体形、同じ原子：無極性 |
| CHCl₃、CH₂Cl₂ | 四面体形、異なる原子：極性、1.04 Dと1.60 D |
| SO₂ | 折れ線形（AX₂E）：極性、1.63 D |
| SF₄ | シーソー形（AX₄E）：極性、0.63 D |
| XeF₄ | 平面四角形（AX₄E₂）：無極性 |
| PCl₅ | 三方両錐形（AX₅）：無極性 |
よくある間違い
- 極性結合があれば必ず極性分子になると考える。対称性によって打ち消されることがあります。
- 平面的な図から形を判断する。平らな十字形に描いたCH₂Cl₂は対称に見えますが、実際は四面体形で極性です。
- 形を変える中心原子の非共有電子対を忘れる。
- 双極子の矢印をδ+の原子に向けてしまう。
- 0.4と1.7を厳密な境界として扱う。結合の性質はΔENとともに連続的に変化します。
- ΔENが1.7を超える化合物をすべてイオン性と呼ぶ。H–Fは共有結合性の分子です。非金属どうしの結合は共有結合のままです。
試験対策のヒント（JEE、NEET、AP、A-level）
- 必ず最初に形を述べ、次に双極子が打ち消し合うかどうかを述べましょう。
- JEEやNEETでは双極子モーメントの大小関係がよく問われます。例：NH₃（1.47 D）> NF₃（0.24 D）。NH₃では非共有電子対と結合双極子が同じ向きですが、NF₃では逆向きです。
- AP Chemistryでは極性を分子間力と結びつけます：極性分子は双極子–双極子相互作用を持ち、通常は沸点が高くなります。
- A-levelのcis/trans異性体の解答では、C–Cl双極子が打ち消し合うためtrans体は無極性であることに触れましょう。
- ΔENは、データブックにあるポーリングの値を使って小数第2位まで示しましょう。
よくある質問
電気陰性度の差がいくつあれば結合は極性になりますか？
ポーリングの値で差が0.4以上なら極性共有結合です。0.4未満は無極性として扱います。約1.7を超えると通常イオン結合と呼ばれますが、2.0を使う教科書もあります。
双極子モーメントとは？
双極子モーメントは、分子の正電荷と負電荷の中心がどれだけ離れているかを表す量です。電荷×距離に等しく、デバイ（D）で表されます。水は1.85 D、CO2は0 Dです。
双極子の矢印はどちらを向きますか？
化学では、矢印はより電気陰性度の大きい原子（δ−側）を向き、δ+側に小さな十字を付けます。物理学では双極子ベクトルを逆向きに表します。
極性結合を持つ分子が無極性になることはありますか？
はい。結合双極子が対称に配置されていれば打ち消し合います。CO2（直線形）、BF3（平面三角形）、CCl4（正四面体形）、PCl5、SF6はいずれも極性結合を持ちますが、正味の双極子はありません。
NH3は極性なのにBF3が無極性なのはなぜですか？
NH3はNに非共有電子対を持つため三角錐形となり、N–H双極子が打ち消し合いません。BF3はBに非共有電子対がなく平面三角形なので、3つのB–F双極子が打ち消し合います。
SO2は極性なのにCO2が無極性なのはなぜですか？
SO2は硫黄に非共有電子対を持ち折れ線形（約119°）なので、S=O双極子が足し合わされて1.63 Dになります。CO2は炭素に非共有電子対がなく直線形なので、2つのC=O双極子が打ち消し合います。
HClのイオン性（%）はいくつですか？
ΔEN = 0.96でポーリングの式を使うと：イオン性(%) = (1 − e^(−0.96²/4)) × 100 = (1 − e^(−0.23)) × 100 = 20.6%。実測の双極子モーメントからはHClのイオン性は約18%なので、推定値はかなり近いです。