形式電荷と混成軌道の求め方（無料の計算ツール付き）
要点：形式電荷はFC = V − N − B/2で、Vは自由原子の価電子、Nは非結合電子、Bは結合電子です。混成軌道は立体数（結合している原子の数＋非共有電子対の数）から求めます：2はsp、3はsp²、4はsp³。硝酸イオンでは、NはFC = 5 − 0 − 8/2 = +1でsp²です。無料のMolDraw形式電荷・混成軌道計算ツールは、分子やイオンのすべての原子についてその両方を求めます。
形式電荷とは
形式電荷とは、ルイス構造のすべての結合が2つの原子間で均等に共有されているとした場合に、その原子が持つ電荷です。帳簿上の道具であり、あるルイス構造でイオンの電荷がどこにあるかを示し、複数の構造があるときに最適なものを選ぶのに役立ちます。
式はFC = V − N − B/2です。
- Vは自由原子の価電子数です。典型元素では族番号の一の位：C = 4、N = 5、O = 6、FとCl = 7。
- Nはその原子の非結合電子の数です。非共有電子対1つを2と数えます。
- Bはその原子のまわりの結合電子の数です。単結合は2、二重結合は4、三重結合は6と数えます。B/2は単に結合の数です。
すべての原子の形式電荷の合計は、分子やイオン全体の電荷に等しくなります。
混成軌道とは何か、どう求めるか
混成軌道は、原子がσ結合と非共有電子対にどのようなs軌道とp軌道の組み合わせを使うかを表します。立体数（その原子に結合している原子の数＋非共有電子対の数）から求めます。2つの原子をつなぐσ結合は1本だけなので、二重結合と三重結合は1つと数えます。
| 立体数2 | sp、直線形、180°。例：CO₂やHC≡CHのC。 |
|---|---|
| 立体数3 | sp²、平面三角形、120°。例：C=OのC、NO₃⁻のN。 |
| 立体数4 | sp³、四面体形、109.5°。例：CH₄、NH₃のN（≈107°）、H₂OのO（≈104.5°）。 |
| 立体数5 | sp³d、三方両錐形。例：PCl₅、SF₄、ClF₃。 |
| 立体数6 | sp³d²、八面体形。例：SF₆、XeF₄。 |
共役による例外。π結合の隣に非共有電子対を持つ窒素、酸素、カルボアニオンは、通常その非共有電子対をp軌道に置いて非局在化させます。そのため単純な数え方では4になっても、原子は3つの混成軌道を使いsp²になります。これはアミド、アニリン、ピロールのN、エステル、フェノール、フランのO、カルボキシラートやニトロ基のO⁻に当てはまります。
計算ツールの使い方（ステップごと）
- 形式電荷・混成軌道計算ツールを開きます。
- エディターで構造を描くか、SMILES or formulaのボックスに入力して計算を押します。
NO3-、SO4^2-、XeF4のような化学式は中心原子が1つの化学種に使えます。それ以外はC[N+](=O)[O-]のようなSMILESを使います。 - または例のボタンを押します：CO₂、NO₃⁻、オゾン、ニトロメタン、酢酸イオン、アニリンなど。
- 表を読みます。各行には、V、N、B、計算式形式電荷 = V − N − B/2、立体数、混成軌道、電子対の配置、形、おおよその結合角が表示されます。H原子も一覧表示するには表に水素原子を表示にチェックを入れます。
- 立体数に付いたアスタリスクは、共役した非共有電子対（sp³ではなくsp²）を示します。
- 紙に描いた構造の1つの原子については形式電荷を手動で確認を使います：元素、結合している原子、描いた結合、非共有電子対を入力します。
- MolDrawで開くを押すと、構造を保持したままエクスポートできます。
例題
1. 硝酸イオン、NO₃⁻
N=O二重結合1本とN–O単結合2本。Nは非共有電子対なし：FC = 5 − 0 − 8/2 = +1。二重結合のOは非共有電子対2つ：FC = 6 − 4 − 4/2 = 0。単結合の各Oは非共有電子対3つ：FC = 6 − 6 − 2/2 = −1。合計 = +1 + 0 − 1 − 1 = −1。Nはσ結合3本で非共有電子対がないので、sp²で平面三角形（120°）です。
2. オゾン、O₃
中央のOは非共有電子対1つ、二重結合1本、単結合1本：FC = 6 − 2 − 6/2 = +1。単結合の末端Oは非共有電子対3つ：FC = 6 − 6 − 1 = −1。二重結合の末端Oは0です。中央のOは立体数3（原子2＋非共有電子対1）なのでsp²で折れ線形、実測の角度は116.8°です。
3. シアン化物イオン、CN⁻
C≡Nで、各原子に非共有電子対が1つずつあります。C：FC = 4 − 2 − 6/2 = −1。N：FC = 5 − 2 − 6/2 = 0。負電荷は炭素にあり、これがシアン化物イオンがCを介して金属と結合する理由です。どちらの原子もspです。
4. ニトロメタン、CH₃NO₂
Nは4本の結合（C–N 1本、N=O 1本、N–O 1本）を持ち、非共有電子対はありません：FC = 5 − 0 − 8/2 = +1。単結合のOは−1です。N=O結合を2本描くと窒素に電子が10個になりますが、第2周期の原子はそれを収容できません。Nはsp²、CH₃の炭素はsp³です。
5. アセトアミド、CH₃CONH₂
形式電荷はすべて0です。Nはσ結合3本と非共有電子対1つを持つので、単純な数え方ではsp³です。しかし非共有電子対がC=Oのπ結合の隣にあって非局在化するため、アミドのNはsp²で平面です。これがアミドのC–N結合が部分的な二重結合性を持つ理由です。
まとめの表
| 化学種 | 原子：形式電荷、混成軌道 |
|---|---|
| CO₂ | C：0、sp。O：0、sp²。 |
| NO₃⁻ | N：+1、sp²。単結合のO：それぞれ−1。 |
| CO₃²⁻ | C：0、sp²。単結合の2つのO：それぞれ−1。 |
| NH₄⁺ | N：+1、sp³、四面体形。 |
| H₃O⁺ | O：+1、sp³、三角錐形。 |
| CN⁻ | C：−1、sp。N：0、sp。 |
| SO₄²⁻（S=O 2本） | S：0、sp³。2つのO：それぞれ−1。 |
| CH₃COO⁻ | O⁻：−1、sp²（共役）。カルボキシ基のC：sp²。 |
よくある間違い
- B/2ではなくBを引いてしまう。Bを電子の数で数えた場合は2で割ります。
- Nに非共有電子対の電子数ではなく対の数を入れてしまう。非共有電子対2つならN = 4です。
- 立体数を求めるときに二重結合を2つの領域と数えてしまう。
- C、N、Oに8個を超える電子を持たせる。オクテットを拡張できるのは第3周期以降の原子（P、S、Cl、Xe）だけです。
- アミドやアニリンの窒素をsp³と答える。
- 形式電荷と酸化数を混同する。CO₂のCは形式電荷0ですが、酸化数は+4です。
試験対策のヒント（JEE、NEET、AP、A-level）
- 合計を確認しましょう。形式電荷の合計はイオンの電荷と等しくなければなりません。等しくなければ、非共有電子対が足りないか多すぎます。
- 最適なルイス構造：形式電荷が0に最も近く、負電荷が電気陰性度の大きい原子にあり、第2周期の原子が8電子を超えないもの。
- JEEやNEETでは、I₃⁻（sp³d）、XeF₄（sp³d²）、SO₄²⁻（sp³）などのイオンの中心原子の混成軌道がよく問われます。立体数を使いましょう。
- AP Chemistryの記述問題では、形式電荷を使って最適な共鳴構造やルイス構造を正当化することが求められます。V − N − B/2の計算を書きましょう。
- A-levelの有機化学で問われるアミドの平面性やアニリンの塩基性は、sp²窒素とその非局在化した非共有電子対に基づいています。
よくある質問
形式電荷の式は？
形式電荷 = V − N − B/2。Vは自由原子の価電子数、Nはその原子の非結合電子の数、Bはその原子の結合にある電子の数です。非共有電子対1つはNで2、単結合1本はBで2と数えます。
NH4+のNの形式電荷はいくつですか？
窒素は価電子5個、非共有電子対なし、単結合4本（結合電子8個）です。FC = 5 − 0 − 8/2 = +1。各水素はFC = 1 − 0 − 2/2 = 0なので、イオン全体の電荷は+1です。
混成軌道を手早く求めるには？
その原子に結合している原子の数と非共有電子対の数を足します。これが立体数です：2 = sp、3 = sp²、4 = sp³、5 = sp³d、6 = sp³d²。二重結合や三重結合は1つと数えます。
アニリンの窒素がsp2なのはなぜですか？
非共有電子対がベンゼン環の隣にあり、π電子系に非局在化するからです。非局在化した非共有電子対はp軌道にあるため、窒素は3つの混成軌道しか使わずsp²になります。アミド、ピロール、エナミンの窒素も同様です。
形式電荷は+2や−2になりますか？
はい。ただし良いルイス構造ではまれです。S–O単結合4本で描いたオクテット型の硫酸イオンでは、硫黄はFC = 6 − 0 − 8/2 = +2になります。通常は電荷が0に近い構造が好まれます。
形式電荷は実際の電荷ですか？
いいえ。すべての結合が均等に共有されていると仮定した帳簿上の値です。実際の部分電荷は電気陰性度に依存します。H3O+では形式上の+1はOにありますが、実際の正電荷の大部分はH原子が担っています。
CO2の炭素の混成軌道は？
炭素は2つの酸素原子と結合し、非共有電子対を持たないので、立体数は2でsp混成です。分子はO=C=O角180°の直線形です。