ルイス構造の描き方｜価電子から5ステップの手順で八電子則の例外まで

反応機構を書けない人の多くは、機構でつまずいているのではありません。その手前で、孤立電子対がどこにあるか分かっていないのです。巻矢印は孤立電子対か結合から出るので、電子の居場所が見えていなければ矢印の出発点が決められません。

ルイス構造は、その電子の居場所を紙の上に全部書き出す作業です。そして幸いなことに、手順さえ決めてしまえば考える余地はほとんどありません。価電子を数え、骨格を作り、余った電子を配り、足りなければ多重結合にする。それだけです。

この記事では、その手順を5ステップに固定します。オクテット則がなぜ成り立つのかという原理はオクテット則で扱っているので、ここでは手を動かす順番だけを扱います。

5ステップの全体像

先に流れを示します。迷ったらここへ戻ってください。

ステップ	やること
1	価電子の総数を数える（イオンなら電荷ぶんを調整）
2	中心原子を決め、単結合だけで骨格を組む
3	残りの電子を外側の原子から配ってオクテットにする
4	中心原子が不足していたら多重結合にする
5	形式電荷を確認し、電子の総数が合っているか検算する

ステップ1：価電子を数える

主族元素なら、価電子の数は族番号から一目で分かります。

原子	H	B	C	N	O	F・Cl・Br・I
価電子	1	3	4	5	6	7

CO2     ： 4 + 6×2 = 16個
NO3−    ： 5 + 6×3 + 1 = 24個   ← 陰イオンなので +1
NH4+    ： 5 + 1×4 − 1 = 8個    ← 陽イオンなので −1

ステップ2：中心原子を決めて骨格を組む

骨格を作る段階では、すべて単結合で結びます。多重結合は後で必要になったときだけ入れます。

CO₂ なら、炭素のほうが酸素より電気陰性度が小さいので O–C–O。単結合2本で電子を4個使い、残りは16 − 4 = 12個です。

有機化合物では、そもそも骨格が問題文の構造式で与えられていることがほとんどです。その場合はステップ2を飛ばして構いません。線結合式で書かれていても、省略されている水素と孤立電子対を自分で補うのが実質的な作業になります。

ステップ3：外側の原子から電子を配る

残った電子を、外側（末端）の原子から孤立電子対として配置し、オクテットを満たしていきます。中心原子は最後です。

CO₂ では、残り12個を2つの酸素に6個ずつ配ると、それぞれ孤立電子対3組＋結合1本＝8電子でオクテット達成。ここで電子は使い切りました。

ステップ4：中心原子が不足なら多重結合にする

ステップ3を終えた時点で中心原子のオクテットが満たされていなければ、外側の原子の孤立電子対を1組、結合に移動させます。これで多重結合が1本できます。

CO₂ の炭素は、単結合2本＝4電子しかありません。4電子足りないので、両側の酸素から1組ずつ電子対を持ってきて二重結合を2本作ります。

ステップ3の時点   O–C–O     炭素は4電子（不足）
                  ↓  酸素の孤立電子対を1組ずつ結合へ
完成              O=C=O     炭素も酸素もすべて8電子

結合数の目安を覚えておくと速い

中性の有機化合物では、原子ごとに作る結合の数がほぼ決まっています。これを知っていれば、多くの場合ステップ3・4を暗算で飛ばせます。

原子	結合の数	孤立電子対
C	4	0
N	3	1組
O	2	2組
ハロゲン	1	3組
H	1	0

この本数から外れていたら、その原子には形式電荷がついています。結合が4本の窒素は +1、結合が1本の酸素は −1、といった具合です。この対応を覚えておくと、形式電荷を計算せずに読み取れるようになります。

ステップ5：検算する

最後に2つだけ確認します。ここを飛ばすから間違いに気づけません。

• 電子の総数がステップ1で数えた数と一致しているか（結合1本＝2個、孤立電子対1組＝2個で数え直す）
• 形式電荷の合計が、分子なら0、イオンならその電荷と一致しているか

実例で通して練習する

硝酸イオン NO₃⁻

① 価電子   5 + 6×3 + 1 = 24個
② 骨格     N を中心に O を3つ単結合  → 6個使用、残り18個
③ 配る     3つの O に6個ずつ  → 18個使用、残り0個
④ 不足     N は3本＝6電子で不足 → O の1組を移して N=O を1本つくる
⑤ 検算     電子24個 ✓ ／ 形式電荷 N:+1、単結合のO:−1×2、二重結合のO:0
           合計 = +1 − 2 = −1 ✓

ここで窒素は第2周期なので、絶対に8電子を超えられません。二重結合を2本にして形式電荷を消したくなりますが、それは誤りです。この制約は暗記ではなく、第2周期には d 軌道がないという理由に基づいています。

硫酸イオン SO₄²⁻——第3周期の扱い

硫黄は第3周期なので、八電子則を超える書き方が許容されます（拡張オクテット）。教科書では二重結合を2本入れて硫黄の形式電荷を0にする構造がよく使われます。

八電子則が成り立たない場合

手順どおりに進めても収まらない分子があります。3パターンだけ知っていれば足ります。

型	例	どうするか
電子不足	BF3、AlCl3（6電子）	そのまま。空軌道があるのでルイス酸になる（→ ルイス酸）
拡張オクテット	PCl5、SF6、SO42−	第3周期以降のみ許される。第2周期では不可
奇数電子	NO、NO2、ラジカル	不対電子を点1つで書く（→ ラジカル）

詳しい理由はオクテット則で扱っています。

有機化学でルイス構造が効く場面

手順を覚える目的は、テストで構造を描くことではありません。孤立電子対の位置が見えるようになることです。

• 巻矢印の出発点が決まる。 矢印は孤立電子対か結合から出ます（→ 巻矢印の書き方）
• 求核剤かどうかが見える。 孤立電子対をもつ原子は求核剤の候補です
• 分子の形が決まる。 孤立電子対の数からVSEPRで立体が予測できます（→ VSEPR）

省略記法に慣れると孤立電子対を書かなくなりますが、機構を考えるときだけは必ず書き込んでください。書いてある電子しか動かせません。

大学院入試での問われ方

• 「次の分子・イオンのルイス構造を描け」……孤立電子対と形式電荷まで書く
• 「窒素が5本の結合をもつ構造が誤りである理由を述べよ」……第2周期は8電子が上限
• 「BF₃ がオクテットを満たさない理由と、そこから予測される性質を述べよ」

まとめ

形式電荷の計算と、複数の候補から最も有利な構造を選ぶ基準は形式電荷の求め方で扱っています。

よくある質問