共有結合

N₂の三重結合の長さは110 pm、エタンの単結合は154 pmです。共有電子対が多いほど原子どうしは近づきます。

非金属の原子どうしが出会うと、どちらも電子を完全には手放そうとしません。どちらも強く引っぱるので、移すかわりに共有します。それぞれの原子が電子を一つずつ出して二つの原子核のあいだに電子対をつくり、両方の原子核がその電子対に引きつけられます。この共有電子対が共有結合です。水からDNAまで、生き物の中のほとんどすべての物質はこうして結びついています。

共有電子対を数える

メタンCH₄を考えましょう。炭素は最外殻電子を4個もち、あと4個必要です。水素はそれぞれ1個もち、あと1個必要です。炭素は四つの水素それぞれと電子対を一つずつ共有します。これで炭素のまわりには電子が8個、どの水素のまわりにも2個になります。全員が閉殻になり、分子には単結合が四つあります。原子がふつうつくる結合の数を原子価といいます。水素1、酸素2、窒素3、炭素4です。この四つの数があれば、たいていの小さな分子を手で組み立てられます。

どんな小さな分子でも、電子を数えれば構造を確かめられます。すべての原子の最外殻電子を足します。水なら1 + 1 + 6 = 8です。結合一つにつき2個を使い、残りは非共有電子対になります。水にはO-H結合が二つあって電子を4個使うので、残りの4個が酸素の上の二つの非共有電子対になります。すると酸素のまわりは8個、それぞれの水素のまわりは2個です。アンモニアも同じで、5 + 3 = 8個の電子、N-H結合が三つ、非共有電子対が一つです。この非共有電子対が、次の単元で分子の形を決めることになります。

二重結合と三重結合

共有電子対一つでは足りないこともあります。酸素分子O₂では、それぞれの原子が最外殻電子を6個もち、あと2個必要なので、二つの原子は電子対を二つ共有します。二重結合O=Oです。窒素N₂では、それぞれの原子があと3個必要で、電子対を三つ共有します。三重結合N≡Nです。モデルでは共有電子対一つを1本の棒で描くので、数えることができます。炭素は三つともできます。エタンC₂H₆にはC-C単結合、エテンC₂H₄にはC=C二重結合、エチン（アセチレン）C₂H₂にはC≡C三重結合があります。

共有電子対が多いほど、原子はより近く、よりしっかり結びつきます。NISTのデータベースで測られた炭素どうしの距離を見るとはっきりします。エタンで153.6 pm、エテンで133.9 pm、エチンで120.3 pmです。窒素の三重結合は109.8 pmで、とても強いので、窒素ガスは私たちが吸う空気の大部分を占めているのにほとんど反応しません。植物は窒素を直接は使えず、細菌や雷がそれを切ってくれるのに頼っています。

格子ではなく分子

共有結合は決まった数の原子を結びつけ、決まった形をもつ分子をつくります。水分子の中の結合は強いのですが、ある水分子ととなりの水分子のあいだの力はずっと弱いのです。そのため多くの共有結合の物質は室温で気体や液体で、低い温度で融解・沸騰します。分子を切らなくても、分子どうしを引き離すだけでよいからです。メタンは約−161.5 °Cで沸騰します。ダイヤモンドや石英のようないくつかの共有結合の物質は、別々の分子をもたない巨大な結合の網目で、知られている中でも最もかたい物質に入ります。