非金属元素の原子どうしは、電子を「互いに出し合って共有する」ことで結びつきます。
これが共有結合であり、水素 H₂ から DNA まで、あらゆる分子の骨格を支える結合です。
この記事では、電子式・構造式の読み書きから、分子の立体的な形の予測まで、共有結合の本質をひとつの原理から統一的に理解します。
共有結合とは、おもに非金属元素の原子どうしが、それぞれの不対電子を1個ずつ出し合い、2個の電子を2つの原子で共有することで生じる結合です。共有されている電子の対を共有電子対といいます。
水素原子 H は最外殻電子（価電子）を1個もち、あと1個で希ガス He の電子配置（2個）になります。2つの H 原子が互いの不対電子を共有すると、それぞれが He 型の安定な電子配置を達成できます。これが共有結合の本質です。
最外殻電子を元素記号のまわりに点（・）で書いたものを電子式といいます。電子式において、対になっていない電子を不対電子、対になっている電子を電子対（孤立電子対ともいう）と呼びます。分子の電子式では、共有電子対を原子と原子の間に書きます。
電子式における共有電子対を線（―）1本で表した化学式を構造式といいます。1本の線は共有電子対1組（電子2個）を表します。
| 分子 | 電子式（略記） | 構造式 | 分子の形 | 説明 |
|---|---|---|---|---|
| H2 | H:H | H−H | 直線形 | H 原子どうしが1組の共有電子対で結合（単結合） |
| Cl2 | :Cl:Cl: | Cl−Cl | 直線形 | Cl 原子に非共有電子対が3組ずつ |
| HCl | H:Cl: | H−Cl | 直線形 | Cl 側に非共有電子対3組 |
| H2O | H:O:H | H−O−H | 折れ線形 | O 原子に非共有電子対2組、共有電子対2組 |
① 価電子数を確認する（族番号の1の位 = 価電子数）。
② 元素記号の上下左右に、5個目から対にして電子を配置する。
③ 共有電子対は原子と原子の間に書き、非共有電子対は原子の外側に書く。
④ 各原子のまわりの電子数が希ガス型（H は2個、それ以外は8個）になるか確認する（オクテット則）。
イオン結合では陽イオン・陰イオンに分かれることで希ガス型を達成しました。共有結合では、電子を移動させるのではなく「共有」することで、両方の原子が同時に希ガス型に近い電子配置を達成します。どちらも「希ガス型になりたい」という同じ動機から生じる結合です。
共有電子対の数（＝構造式の線の数）によって、結合は3種類に分類されます。
O 原子（価電子6個）は不対電子を2個もつので、2組の共有電子対をつくり二重結合（O＝O）が生じます。N 原子（価電子5個）は不対電子を3個もつので、3組の共有電子対をつくり三重結合（N≡N）が生じます。
| 分子 | 結合の種類 | 構造式 | 共有電子対 | 非共有電子対 |
|---|---|---|---|---|
| H2 | 単結合 | H−H | 1組 | 0組 |
| Cl2 | 単結合 | Cl−Cl | 1組 | 6組（各Cl に3組） |
| O2 | 二重結合 | O＝O | 2組 | 4組（各O に2組） |
| N2 | 三重結合 | N≡N | 3組 | 2組（各N に1組） |
| CO2 | 二重結合 × 2 | O＝C＝O | 4組 | 4組（各O に2組） |
共有電子対が多いほど2つの原子間の引力が強くなります。そのため、結合の数が増えるほど結合エネルギー（結合を切るのに必要なエネルギー）が大きくなり、結合距離（原子間距離）は短くなります。
| 結合 | 例 | 結合エネルギー（kJ/mol） | 結合距離（pm） |
|---|---|---|---|
| C−C 単結合 | エタン C2H6 | 約 346 | 約 154 |
| C＝C 二重結合 | エチレン C2H4 | 約 614 | 約 134 |
| C≡C 三重結合 | アセチレン C2H2 | 約 839 | 約 120 |
| N−N 単結合 | ヒドラジン N2H4 | 約 163 | 約 145 |
| N≡N 三重結合 | 窒素 N2 | 約 945 | 約 110 |
N₂ の結合エネルギーが極めて大きい（約945 kJ/mol）ことは、窒素分子が非常に安定で反応しにくい理由を直接説明します。
H−O−H と書くと「一直線に並んでいる」ように見えますが、H₂O の実際の形は折れ線形です。構造式は結合のつながり（位相）を表すだけで、分子の立体的な形（角度・空間配置）を表しているわけではありません。分子の形を知るには、次のセクションで学ぶ「電子対反発理論」が必要です。
構造式は平面的にしか書けませんが、実際の分子は立体的な形をもっています。その形を予測する強力な手がかりが電子対反発理論（VSEPR 理論）です。
中心原子のまわりにある電子対（共有電子対・非共有電子対を含む）は、互いの負電荷による反発を最小にするため、できるだけ遠く離れた方向に配置する。
CO₂ では、中心の C 原子のまわりに電子対のかたまりが2つ（C＝O が2本）あります。2つの電子対が最も離れた方向は180°の直線です。よって O＝C＝O の形は直線形になります。BeCl₂（価電子2個の Be が2つの Cl と単結合）も同様に直線形です。
BF₃ では、中心の B 原子（価電子3個）のまわりに3組の共有電子対があり、非共有電子対はありません。3つの電子対が最も離れた配置は平面内の120°であり、平面三角形になります。
CH₄ では、中心の C 原子のまわりに4組の共有電子対（H が4つ）があります。非共有電子対はありません。4つの電子対が最も離れた三次元配置は正四面体形（結合角 109.5°）です。
NH₃ では、N 原子のまわりに4組の電子対（共有電子対3組＋非共有電子対1組）があります。電子対の配置は正四面体に近いですが、非共有電子対は分子の形には含めないので、3つの H 原子が見えている三角錐形になります。また、非共有電子対は共有電子対より反発が強いため、H−N−H の結合角は CH₄ より小さくなります（約107°）。
H₂O では、O 原子のまわりに4組の電子対（共有電子対2組＋非共有電子対2組）があります。非共有電子対が2組あり、その強い反発によって H−O−H の結合角はさらに小さくなります（約104.5°）。2つの H 原子と中心の O 原子が作る形は折れ線形です。
| 分子 | 中心原子 | 共有電子対 | 非共有電子対 | 分子の形 | 結合角（目安） |
|---|---|---|---|---|---|
| CO2 | C | 2かたまり（二重結合×2） | 0組 | 直線形 | 180° |
| BeCl2 | Be | 2組（単結合×2） | 0組 | 直線形 | 180° |
| BF3 | B | 3組（単結合×3） | 0組 | 平面三角形 | 120° |
| CH4 | C | 4組（単結合×4） | 0組 | 正四面体形 | 109.5° |
| NH3 | N | 3組（単結合×3） | 1組 | 三角錐形 | 約107° |
| H2O | O | 2組（単結合×2） | 2組 | 折れ線形 | 約104.5° |
※ CO₂ も3原子分子ですが、中心の C には非共有電子対がなく電子対が2かたまりだけなので、直線形になります。H₂O と CO₂ の形の違いは「非共有電子対の有無」が決め手です。
共有結合に使われない電子対を非共有電子対（孤立電子対）といいます。非共有電子対は「見えない電子対」ですが、分子の形と性質の両方に大きく影響します。
非共有電子対は特定の原子核に束縛された共有電子対とは異なり、より広い空間に広がります。そのため、他の電子対を強く押しのける（反発力が大きい）という特徴があります。
反発の大きさの順序：非共有電子対 − 非共有電子対 > 非共有電子対 − 共有電子対 > 共有電子対 − 共有電子対
この原則から、次の予測が導けます。
非共有電子対は、他の原子や分子に電子を「提供する」場所にもなります。たとえば NH₃ の N 原子の非共有電子対は H⁺ に提供されて配位結合をつくり、アンモニウムイオン NH₄⁺ を生成します（3-3「配位結合」で詳しく扱います）。また、水素結合の形成においても非共有電子対は水素の受け手として機能します。
大学化学では、VSEPR 理論をさらに深め、混成軌道の考え方で分子の形を説明します。
混成軌道の観点から見ると、VSEPR 理論は「電子対がどの混成軌道を占めているか」の幾何学的な帰結として理解できます。
共有結合は、第3章「粒子の結合」の中心にあり、化学の多くの分野と直接つながっています。
次の記事（3-3）では、非共有電子対を提供する側と受け取る側が出会う「配位結合」と、金属錯イオンの形成を扱います。
Q1. 次の分子の電子式を書き、共有電子対と非共有電子対の数をそれぞれ答えよ。 （1）HCl （2）NH₃
Q2. 単結合・二重結合・三重結合を比較したとき、結合エネルギーと結合距離はどのように変化するか。
Q3. CH₄、NH₃、H₂O は中心原子のまわりの電子対の総数がすべて4組である。にもかかわらず分子の形が異なる理由を説明せよ。
Q4. CO₂ と H₂O はどちらも3原子分子だが、分子の形が異なる。その理由を電子対反発理論にもとづいて説明せよ。
基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。
共有結合に関する次の記述のうち、正しいものをすべて選べ。
②③⑤
① 誤り。共有結合はおもに非金属元素の原子どうしの間に生じる。金属と非金属の間に生じるのはイオン結合。② 正しい。③ 正しい。共有電子対が増えるほど結合が強固になるため、結合エネルギーは増大し、結合距離は短縮される。④ 誤り。構造式は結合のつながりを示すが、立体的な形（結合角など）を表すものではない。⑤ 正しい。N 原子（価電子5個）は不対電子を3個もち、2つの N が3組の共有電子対をつくる三重結合（N≡N）を形成する。
次の問いに答えよ。
(1) 次の分子の構造式を書け。また、それぞれの分子における共有電子対と非共有電子対の数を答えよ。
（ア）H₂O （イ）CO₂ （ウ）HCN
(2) NH₃ と H₂O の分子の形をそれぞれ答え、どちらの H-（中心原子）-H の結合角が小さいか理由とともに説明せよ。
(1)（ア）H−O−H 共有電子対2組、非共有電子対2組（O に2組）
（イ）O＝C＝O 共有電子対4組（二重結合×2）、非共有電子対4組（各O に2組）
（ウ）H−C≡N 共有電子対4組（単結合1＋三重結合3）、非共有電子対1組（N に1組）
(2) NH₃ は三角錐形（結合角約107°）、H₂O は折れ線形（結合角約104.5°）。
H₂O の結合角の方が小さい。理由：NH₃ の N 原子には非共有電子対が1組、H₂O の O 原子には非共有電子対が2組ある。非共有電子対は共有電子対より反発力が大きいため、非共有電子対の数が多いほど共有電子対が押し縮められて結合角が小さくなる。
HCN の構造は H−C≡N であり、C（価電子4個）は H との単結合（1組）と N との三重結合（3組）で合計4組の共有電子対をもち、C 自身に非共有電子対はありません。N（価電子5個）は三重結合（3組）を形成し、残り1組が非共有電子対になります。
VSEPR 理論によると、中心原子のまわりの電子対の総数（共有＋非共有）が同じでも、非共有電子対の数が多いほど結合角は小さくなります。CH₄（0組）→ NH₃（1組）→ H₂O（2組）の順に結合角が小さくなる（109.5° → 107° → 104.5°）ことを覚えておきましょう。
窒素分子 N₂ と一酸化窒素 NO、二酸化窒素 NO₂ に関する以下の問いに答えよ。
(1) N₂ の結合エネルギーは約945 kJ/mol と非常に大きい。このことが、窒素分子が常温では反応しにくい理由であることを説明せよ。
(2) NO₂ の分子の形は折れ線形であり、O−N−O の結合角は約134°である。VSEPR 理論にもとづいて、なぜ直線形でなく折れ線形になるかを説明せよ。なお、NO₂ の N 原子には不対電子が1個残っていることを考慮せよ。
(3) N₂ は三重結合、O₂ は二重結合、F₂ は単結合をもつ。これらの結合エネルギーを比較するとき、O₂ の結合エネルギー（約494 kJ/mol）が、F₂（約155 kJ/mol）より大きいことは自然に理解できるが、N₂（約945 kJ/mol）の値は三重結合の中でも非常に大きい。なぜか、N₂ の電子配置に基づいて考察せよ。
(1) 結合エネルギーとは共有結合を切るのに必要なエネルギーである。N₂ の三重結合の結合エネルギーは約945 kJ/mol と非常に大きいため、N≡N を切断して反応させるには極めて大きなエネルギーが必要である。そのため常温では反応が進みにくい。
(2) NO₂ の N 原子のまわりには、2組の共有電子対（N−O 結合、うち一方は二重結合的な性格）のほかに不対電子1個が存在する。この不対電子も空間を占有し、2組の共有電子対を反発させるため、O−N−O の角度が180°より小さい折れ線形になる。
(3) N 原子（2s²2p³）の2p 軌道はそれぞれ1個ずつ電子が入っており、2つの N 原子が3組の共有電子対（σ結合1本＋π結合2本）をつくる際に非常に効果的に軌道が重なり合う。また、N 原子はサイズが小さいため軌道の重なりが大きく、単位面積当たりの電子密度が高くなる。さらにN₂ には非共有電子対間の反発が比較的少ない（後述するF₂ では非共有電子対間の反発が結合を弱める）ため、結合エネルギーが極めて大きい値になる。
(1) 結合エネルギーの物理的意味を正確に答えることがポイントです。「N₂ が安定」というだけでなく、「三重結合のエネルギーが大きいから切断に高エネルギーが必要」という因果関係を示します。
(2) NO₂ は電子が奇数個の「奇電子分子」です。N 原子のまわりに電子対2組＋不対電子1個があり、不対電子も空間を占めて反発を生じます。不対電子の反発は非共有電子対より小さいため、H₂O の約104.5°より大きい約134°になります。NH₃（107°）よりも大きい点に注意してください。
(3) F₂ の結合エネルギーが Cl₂（約242 kJ/mol）よりも小さいのは、F 原子が小さいため非共有電子対間の反発が結合を弱めるからです（参考：15章「ハロゲン」の発展ボックス）。N₂ は三重結合で非共有電子対が各N に1組ずつしかなく、この弱化効果が小さいため結合エネルギーが非常に大きくなります。