O3はオゾンとして知られており、化学の教科書では非常に有名な化合物です。 オゾンは地球の大気中に存在する無機化合物で、太陽からやってくる有害な紫外線から私たちを守ってくれています。 O3は極性なのか非極性なのか、非常に有名な質問があります。
今回はこの質問に対する答えを詳しく説明し、O3分子の化学構造について学んでみたいと思います。 O3は極性分子であり、それはその曲がった分子形状に起因する。 O3では、結合の電気双極子モーメントが互いに相殺されないため、正味の双極子モーメントが生じます。
O3の分子構造
まずO3のルイス構造を見てみましょう。 酸素（O）の原子番号は8で、価電子数は6です。
中間の酸素原子は4個の電子を共有して、他の2個の酸素原子と二重結合と単結合を1個ずつ形成します。
ときどき人は、中間の酸素が他の2個の酸素原子と一重結合と一重結合を作ったら、非結合電子は3つ残っているはずだと混乱することがあります。
これは、O3が2つの共鳴構造を持っていて、共鳴し続け、二重結合と単結合を両側で交互に形成するためです。
そのため、中間の酸素原子には1個の孤立電子が残されます。 また、この孤立電子が両側の結合対に大きな反発を与えるため、O3は分子構造が曲がってしまいます。 その結合対の間の角度は116度になります。
ローンペアと結合対の反発により、O3分子は曲がっていて、その結果、分子内に極性を与える正味の双極子が発生します。
なぜO2は無極性でO3は極性なのか
O2分子では2個の酸素原子が二重結合で結合しています。 また、原子が同じ酸素原子であるため、分子内に正味の双極子モーメントが存在しないのです。
しかし、O3の場合は原子が3つあるので、形が曲がっている。
オゾン分子は対称性を持たず、すべての酸素原子に不均等なローンペアがあるため、曲がっているのです。 そのため、オゾン中の酸素原子はローンペア-ローンペア反発を受け、曲がった形状になります。
中心原子につながる外側の酸素原子は、他の酸素原子よりも多くのローンペアを含むため、部分的に負電荷を帯びます。
分子の極性を決める要因
双極子モーメント
極性分子は常に双極子モーメントの値が正味で存在します。 例えば、オゾンの双極子モーメントは0.53Dであり、デバイはDで示される双極子モーメントのSI単位である。
電気陰性度
分子において、両原子の電気陰性度に差がある場合、両原子が共有する結合は極性である。 6251>
酸素分子の構造を見ると、両方の酸素原子の電気陰性度が同じであることがわかります。
対称性
分子の極性・非極性は、分子の構造的な形状を見ただけでも判断できます。
炭酸ガス分子を見ると、C-O結合は電気陰性度の違いにより極性を持つ。 炭酸ガス分子は対称的であるため、C-O結合は両方とも180度にあり、極性を打ち消す。
オゾンの性質
オゾンは太陽から来る紫外線から地球を守っています。 この層がないと、地表の水生生物や植物、そして人間にも害を及ぼします。
オゾンは環境中の空気より密度が高い。 その蒸気密度は約24です。
オゾンが液体化すると、濃い青色の液体に変わります。
純粋なオゾンは青色をしたガス状で、強い刺激臭があります。 固化すると紫黒色の結晶となります。
オゾンの沸点は約-112℃です。
オゾンは大気圧で水に溶けます。 したがって、オゾンは酸化電位が2.07Vで、強い酸化剤であるため、水処理にも使われます。
オゾンは親電子性で、他の元素と非常に選択的に反応する
空気中より水中の方が安定です。
水中では、オゾンの半減期は約20分ですが、空気中では12時間です。
水処理では、その酸化特性から飲料水の殺菌に使われます。
また繊維産業では漂白目的で使われます。