結合次数

結合次数の概要

結合次数（けつごうじすう、英: bond order）は、化学において二つの原子間の共有結合における結合の強さや特性を示す重要な概念です。これは、ライナス・ポーリングによって定義され、結合性分子軌道に存在する電子対の数と反結合性分子軌道における電子対の数の差を用いて算出されます。この指標は結合の安定性を示し、結合解離エネルギーとの関連性があることから、化学反応の理解にも寄与します。

結合次数の具体例

結合次数を理解するためには、具体的な化学種の例を挙げることが有効です。例えば、窒素分子（N≡N）の結合次数は3であり、これは三重結合を示します。また、アセチレン（H–C≡C–H）では、C-C間の結合次数が3、H-C間は単結合で1です。その他にも、酸素分子（O=O）の結合次数は2の二重結合、エチレン（H2C=CH2）の炭素間の結合率も2です。このように、結合次数はその結合の性質を示す指標であり、多重結合の程度を数量化します。

さらに、一部の分子では結合次数が4（[四重結合]]）や5（五重結合）、あるいは6（六重結合）になることもあります。例として、オクタクロロ二モリブデン]酸カリウム（K2[Mo2Cl8]・2H2O）には、二つの[[モリブデン原子の結合次数が4であることが確認されています。また、複核クロム化合物における二つのクロム原子間の結合は、結合次数が5であることが報告されています。極低温の気相においては、Mo2やW2における結合次数が6の例も存在します。

非整数の結合次数

結合次数が整数とならない場合もあり、これは共鳴構造を持つ分子などに見られます。ベンゼンはその代表的な例で、環を構成する6つの炭素間には0.5の結合次数を持つπ結合が存在し、σ結合の結合次数である1と合わせて、全体で1.5の結合次数となります。このように、非整数の結合次数も結合の強度における参考値として機能します。例えば、硝酸イオン（NO−3）では、結合次数が4/3（1.33）となり、水素分子イオン（H+2）は結合次数が0.5となります。

分子軌道理論に基づく結合次数の計算

結合次数は、分子軌道理論（MO法）にて、結合性電子と反結合性電子の数を元に計算されます。この計算式によれば、結合次数は次のように定義されます。：

$$
ext{結合次数} = \frac{（\text{結合性電子数} - \text{反結合性電子数}）}{2}
$$

この定義は、通常の結合長と関連性があり、この理論に基づく値は結合の強さを理解するのに役立ちます。また、ヒュッケル法を用いたアプローチでは、π結合に対する新たな考え方が提案され、炭素原子間の結合に対する理論的な定義も行われています。

その他の結合次数の定義

結合次数の価値は、他の分野や理論においても議論されています。結合次数は結合長との関連を持ち、ライナス・ポーリングによる1947年の法則では、実験的に測定した結合長に基づく式が提案されています。このように、結合次数は化学反応や物質の性質を深く理解するための重要な指標であり、様々な理論的なアプローチが提案されています。

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