非結合性軌道とは？初心者向けにわかりやすく解説する基礎ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

非結合性軌道とは？

非結合性軌道は、分子の中で電子が他の原子と共有されず、個々の原子内に留まるかのように振る舞う軌道のことを指します。この軌道に入る電子は、直接的な結合を作る相手の原子と重なり合うことが少なく、結合性軌道や反結合性軌道には寄与しません。

分子軌道理論では、原子の軌道が重なり合って新しい分子軌道を作ります。結合性軌道は原子間の結合を強め、反結合性軌道は結合を弱めます。一方、非結合性軌道は他の軌道とあまり重なりがなく、エネルギー的にも独立しています。

「孤立対」との関係

非結合性軌道は日常の化学でよく使われる言葉として 孤立電子対、つまり lone pair に対応します。水分子 H2O の酸素原子には2つの孤立対があり、これらは非結合性軌道に対応する電子対です。これらの電子対は分子の立体形状や極性に影響を与え、他の分子と反応するときの反応サイトにもなります。

また、NH3 の窒素原子にも孤立対があり、分子の角度や配位の安定性に寄与します。非結合性軌道は必ずしも弱いものではなく、分子の反応性や極性、立体配置を決定づける重要な要因です。

エネルギーと分子軌道図

分子軌道図では、結合性軌道はエネルギーが低い場所に、反結合性軌道はエネルギーが高い場所に現れます。非結合性軌道はしばしば結合性と反結合性の間のエネルギー領域に位置するか、場合によっては原子軌道のエネルギーと非常に近いことがあります。このため、非結合性軌道の電子は外部の化学反応で必ずしも関与するわけではなく、独立して存在します。

実際の分子では、非結合性軌道は完全に局在していないこともあり、分子全体の性質と結びついています。MO理論とルイス構造の両方の観点から理解すると、非結合性軌道の意味がよりはっきりします。

例をみてみよう

・水(H2O) の酸素原子には孤立対があり、これらは非結合性軌道に対応する電子対として振る舞います。
・アンモニア(NH3) の窒素原子にも孤立対があり、分子の極性と立体形状を形作る要因になります。
・ハロゲン分子の酸性部位にも非結合性軌道が関与することがあります。

具体的な比較表

軌道のタイプ	特徴	例
結合性軌道	原子間の結合を強める電子配列	H2分子の結合性軌道
反結合性軌道	結合を弱める電子配列	同じく分子軌道図の反結合性軌道
非結合性軌道	他の原子と重なりが少なく、結合には直接関与しない	水の酸素の孤立対

この表から、非結合性軌道が結合を直接作らない性質を、電子の局在性とエネルギーの位置という観点で理解することができます。分子の反応性や物性を理解するうえで、非結合性軌道の存在は重要な手がかりになることが多いです。

日常の化学現象にも影響を与えるため、化学を学ぶうえで非結合性軌道の理解は基本中の基本です。高校・大学の講義だけでなく、化学系の趣味や実験にも役立つ知識として覚えておくと良いでしょう。

非結合性軌道と立体化学の関係

孤立対は、分子の立体構造を決定づける重要な要素です。例えば水分子の結合角は約104.5度付近で、孤立対の反発がこの形を作る要因の一つです。非結合性軌道は電子の分布を形作り、結果として分子の極性、沸点、溶解性などの性質に影響を与えます。

非結合性軌道の同意語

非結合性分子軌道: 結合を形成しない性質を持つ分子軌道。通常は他の原子と電子を共有して結合を作らない軌道で、孤立電子対が収まる場所として機能することが多い。
ノンボンディング軌道: 英語の Nonbonding Orbital の日本語表現。結合性を持たず、他の原子と共有結合を作らない軌道。
ノンボンディング分子軌道: 分子全体の中で結合を生まない軌道のこと。非結合性軌道の別表現。
非結合性MO: 非結合性分子軌道の略称。結合性の崩れを生まない軌道で、孤立電子対を含むことが一般的。
非結合MO: 上と同義。非結合性分子軌道の略。
孤立電子対軌道: 原子中心に存在する孤立した電子対が占有する軌道。多くの場合、非結合性軌道と同義として使われることがある。
孤立電子対MO: 孤立電子対が占有する分子軌道。非結合性の性質を指す表現として用いられる。

非結合性軌道の対義語・反対語

結合性軌道: 二つの原子の原子軌道が同位相で重なり、原子間に電子密度を増やして結合を安定化させる軌道。非結合性軌道の対義語として位置づけられ、エネルギー的には同じ電子数の場合、非結合性軌道より低い傾向になることが多い。
結合軌道: 結合性軌道の別名として使われることがある表現。
結合性MO: MO理論で用いられる、結合に寄与する軌道の略称。結合性軌道と同義として扱われることが多い。
結合性分子軌道: 結合性軌道を指す別表現。分子全体の電子分布が原子間の結合を強化する軌道を意味する。
反結合性軌道: 二つの原子の原子軌道が逆位相で重なり、原子間の結合を弱める軌道。結合性軌道の対になるカテゴリで、電子がこの軌道に占有されると結合次数が低下する。
反結合性MO: MO理論で用いられる、反結合性軌道の略称。結合性軌道とは反対に結合を弱める作用を持つ。
反結合性分子軌道: 反結合性軌道を指す別表現。

非結合性軌道の共起語

孤立電子対: 分子内の原子に局在する2つの電子の対。非結合性軌道に配置されることが多く、水素結合の供与体として機能することがある。
分子軌道: 分子全体の電子の分布を表す軌道。非結合性軌道は分子軌道の分類の一つで、結合にも反結合にも直接寄与しない。
原子軌道: 原子核の周りの電子の分布を表す軌道。分子軌道は複数の原子軌道を重ね合わせて作られる。
結合軌道: 原子間の結合を形成する軌道。NB軌道は結合性を持つこともあるが、非結合となる場合もある。
反結合軌道: 結合を弱める性質を持つ軌道。電子が入ると結合性が減少する。
局在軌道: 電子が特定の区域に集中して分布する軌道。非結合性軌道は局在性が高いことが多い。
水素結合: 水素原子と電気陰性原子の間の弱い引力。孤立電子対は供与体として水素結合の形成に関与することがある。
供与体: 電子を提供する部位。孤立電子対は水素結合やルイス酸・塩基反応で供与体になる。
受容体: 電子を受け取る部位。水素結合では受容体側が孤立電子対を提供することもある。
電子対: 二つの電子がペアになっている状態。孤立電子対や共有電子対などがある。
スピン対: 二つの電子が反対符号のスピンを持つ対。孤立電子対も通常は対となっている。
電子密度: 軌道内の電子の分布量。非結合性軌道の電子密度は特定の結合区域に偏りにくいことが多い。
エネルギー準位: 軌道が持つエネルギーの値。非結合性軌道のエネルギーは結合性軌道と異なることが多い。
ハイブリッド軌道: 原子軌道を混成させてできる軌道。孤立電子対はしばしば sp3, sp2 などのハイブリッド軌道に入ることがある。
価電子: 最外殻の電子のこと。非結合性軌道にはしばしば価電子が含まれる。
共役系: π電子が複数の原子にわたって分布する分子構造。非結合性軌道も共役系と関係することがある。
電子供与性: 孤立電子対が他分子へ電子を提供しやすい性質。水素結合の供与体としての役割などで現れる。

非結合性軌道の関連用語

非結合性軌道: 分子軌道のうち、結合性軌道・反結合性軌道としての寄与が小さく、しばしば孤立電子対が入る軌道。エネルギーは結合性・反結合性の間に位置することが多い。
孤立電子対: 原子の最外殻にある電子の対。共有結合を作らず非結合性軌道に存在することが多く、VSEPR理論の分子形状予測に影響する。
分子軌道: 分子全体の電子の動きを表す軌道。原子軌道の線形結合で形成され、結合性軌道・反結合性軌道・非結合性軌道をとる。
原子軌道: 原子内部の電子分布を表す軌道。MO理論では原子軌道を線形結合して分子軌道を作る。
結合性軌道: 原子核間の電子密度を高め、結合を安定化させる軌道。
反結合性軌道: 核間の電子密度を減らし、結合を不安定化させる軌道。
σ軌道: 軸対称な結合性軌道の代表。核間の結合を安定化させる電子密度の分布をもつ。
π軌道: 核間の側方結合を作る軌道。σ軌道と対称性が異なり、核間の結合を補完する役割を果たす。
sp3混成軌道: s軌道と3つのp軌道を混成させて作る4本の等価な軌道。分子の三次元形状を決定づける。
sp2混成軌道: s軌道と2つのp軌道を混成させて作る3本の等価な軌道。主に平面分子で用いられる。
sp混成軌道: s軌道と1つのp軌道を混成させて作る2本の軌道。直線構造の分子で現れることが多い。
LCAO法: Linear Combination of Atomic Orbitalsの略。原子軌道を線形結合して分子軌道を近似的に作る方法。
VB理論: Valence Bond理論。価電子対を局所的な混成軌道で説明する伝統的な結合のモデル。
MO理論: Molecular Orbital理論。分子軌道として電子を扱い、結合性・反結合性・非結合性を総合的に説明する現代的モデル。
価電子: 分子を形成する最外殻の電子。化学反応の中心となる主要な電子群。
価電子対: 価電子の組としての電子対。孤立電子対と共有電子対を含む概念。
VSEPR理論: Valence Shell Electron Pair Repulsionの略。電子対は互いに反発し合う性質を持つと仮定して分子形を予測する理論。
水分子の非結合性軌道: H2Oの酸素原子にある2つの孤立電子対が非結合性軌道として表現される例。
分子の対称性: 分子が持つ幾何学的対称性（点群など）を指す概念。非結合性軌道にも特定の対称性が対応することが多い。
エネルギーレベル: MO図に現れる分子軌道のエネルギー階層。非結合性軌道は結合性軌道と反結合性軌道の中間付近に位置することが多い。
縮退: 複数の分子軌道が同じエネルギーを共有する状態。
局在化軌道: 電子が特定の空間領域に局在して分布する軌道。非結合性軌道は局在化して表現される場合がある。
混成軌道: 原子軌道を混成して作る新しい軌道。分子の空間配置と電子分布を説明する基本概念。