Is N2 Polar or Nonpolar?

冷たい物質に花を浸して、テーブルの上でガラスのように粉々にする実験をしたことがありますか? あれは液体窒素です。 日持ちのする食べ物も、間違いなく窒素ガスで保存されていたのです。 しかし、窒素の化学構造を見たとき、新米化学者がよく抱く疑問は、窒素は極性なのか非極性なのか、ということです。 その答えを見つけるために、N2の構造と反応性に関するいくつかのトピックを探ってみましょう！

では、N2は極性なのか非極性なのでしょうか？ N2はその直線的な幾何学的構造から非極性分子であり、2原子分子である。

窒素 (N2) は非常に豊富で、生物学的生命や工業プロセスに必要な化学物質です。 窒素は、私たちが毎日呼吸する空気の体積の 78% を占め、すべての生物に化合物の形で含まれています。

窒素は、肥料、染料、ナイロン、火薬などの工業化学にも豊富に含まれています。

電気陰性度に基づく極性

原子が結合を形成して分子を作るとき、その分子が示す極性のレベルを決定することができます。 たとえば、ナトリウム (Na) が塩素 (Cl) と結合すると、ナトリウムはその 1 個の価電子を塩素に渡し、これらの原子の最も安定した形である Na+ と Cl- を形成します。

共有結合が発生すると、ある原子から別の原子への電子密度の移動が発生します。 原子の電気陰性度が等しくない場合、電子は均等に共有されず、各原子に部分的にイオン電荷が形成されます。

この好例が塩酸または HCl の生成です。 水素（H）の電気陰性度は2.1、塩素（Cl）の電気陰性度は3.0です。電気陰性度が高いほど、原子が安定したときに陰性度が高くなります。

水素は価電子が1個で、価電子殻を完成するためには2個必要ですが、塩素は7個の電子を持っていて、価電子殻を完成するには8個必要です。

ただし、塩素の電気陰性度が水素より高いので、塩素がより多くの電子密度を占めることになります。 逆に、水素は電子密度が低いため、部分的に正の電荷を帯びる。

これにより双極子モーメントが生じ、電子密度をより電気陰性な分子に向けることになる。

したがって、電気陰性度の差と分子双極子モーメントがあるので、塩酸分子は極性を持つことになります。

こちらの記事で塩酸の極性を調べています。

なぜN2が無極性分子か

この論理でN2についてみていきましょう。 窒素原子の電気陰性度は約3.04です。 しかし、窒素ガスでは同核分子、つまり同じ原子が2つ結合しています。

2つの窒素原子の間に電気陰性度の差はないでしょうから、電子密度を等しく共有していることになります。

電子密度を2つの原子で等しく共有すれば、双極子モーメントは形成されないでしょう。

Lewis structure of N2

A Lewis Structure is a very simple representation of the valence, or outermest, in a molecule.N2

Lewis Structureは分子の価電子を非常にシンプルに表したものです。 これは分子の幾何学的構造を説明するものではありませんが、地理学に近づくための一歩となります。

しかし、N2 が極性か非極性かを調べるには、ルイス構造によって分子の最良の電子構成を明らかにすることができます。 窒素原子のルイス構造は以下のとおりです。

窒素は、周期表のほとんどの元素と同様に、オクテットルールに従っており、外殻に 8 つの電子が欲しいことを意味します。 たとえば、アンモニアは窒素 1 個と水素 3 個からなる化合物です。

目標は電子ペアを作ることです。窒素原子のルイス構造の頂点には、すでに電子のペアまたは単独ペアがあり、結合には利用できません。

残りの 3 つの単一電子は、共有結合または 2 つの原子間で電子を共有する結合を、単一電子を持つ他の原子と行うために利用できます。

水素は1個の電子を持っており、外殻を完成させるために2個の電子を必要とします。したがって、窒素には3個の水素原子のためのスペースがあります。

これで窒素の八重項規則が完成し、水素は完全な価電子帯に必要な2個の電子を持つようになりました。

これでアンモニアのルイス構造ができ、分子式NH3と一致しました。 NH3の極性については記事を参照してください。

次に窒素の分子式、N2について考えてみましょう。 窒素は二原子分子で、標準的な温度と圧力 (25°C で 1 atm) では、窒素原子は自然に別の窒素原子と結合して、両方の原子の八重項規則を満たします。

窒素は、酸素、水素、4 つのハロゲン (フッ素、塩素、ヨウ素、臭素) など、他の二原子分子と共にこの系列で存在しています。 さて、N2 のルイス構造はどうなっているかというと、窒素は 5 個の価電子を持ち、そのうち 2 個は単独で対を形成しているので、残りの 3 個の自由電子を結合して八重項則を完成させる必要があるのです。

上の図に示すように、一方の窒素分子からの電子は、もう一方の窒素からの電子と単結合を形成します。

両方の窒素原子が八重項則を満たすには、3つの自由電子がすべて結合して三重結合が形成されることになります。 このように、自然界には三重結合を持つ窒素分子が存在し、エネルギーが低く、自然界でも安定しています。

N2の分子構造

ルイス構造をカバーしたので、N2の分子構造を探索しましょう。

ルイス構造から分子の構造を予測できるのが普通ですが、ルイス構造は価電子殻電子対反発（VSEPR理論）に導いてくれることがあります。

VSEPR 法は、分子の形状が、その原子の価電子帯の電子間の反発を最小化するという仮定に基づいています。

電子は負であり、磁石のように、互いに近づき過ぎると反発し、分子に歪みが生じることを覚えておいてください。

私たちは、窒素ガスが 2 原子分子として存在し、ルイス構造ではその構造に参加している原子は 2 つだけであることを知っています。 これは、2つの原子が180°の角度で離れていることを意味する…。

一般に、直線状の分子は非極性になりますが、必ずしもそうとは限りません（参照：塩酸、フッ酸、一酸化炭素）ので、これだけでは N2 を非極性とは決めつけられません。

より深く理解するために、N2 のルイス構造と分子幾何学、および混成の記事にも目を通してください。

結論

化合物としての窒素は、我々の日常生活の中にとてつもなく多く存在しています。 窒素ガスは強い三重結合を形成し、窒素原子間が180°の直線的な形状をしており、窒素原子間で電子密度を均等に共有していることがわかりました。 したがって、窒素ガスは無極性であると判断できます。

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