ルイス構造はギルバート・N・ルイスによって考案され、分子中の電子配置を視覚的に表現します。価電子を点で、結合を線で示すことにより、八電子則に基づいて分子の形状や性質を予測します。この則は、原子が外殻に8個の電子を持つことで安定する傾向があることを示しています。ルイス構造はこの法則に従い、化学結合の明確なイメージを提供します。
五フッ化リン（PF5）は、1つのリン原子が5つのフッ素原子と結合した、無色・無臭の気体です。その反応性と安定性のため、さまざまな化学反応で広く使用されます。PF5は超原子価分子で、三方両錐型構造を持ちます。
PF5のルイス構造の描き方を見ていきましょう：
ステップ 1：中心原子の特定：リン（P）はフッ素より電気陰性度が低いため、PF5では中心原子となります。
ステップ 2：価電子の合計を計算：リンは5個、各フッ素は7個の価電子を持つため、5 + (5 × 7) = 40個の価電子になります。
ステップ 3：原子の周囲に電子を配置：各フッ素原子をリン原子に単結合でつなぎ、残りの電子を各フッ素原子の孤立電子対として配置します。
ステップ 4：八電子則を満たす：各フッ素原子が8個の電子（2対の孤立電子対と1つの結合対）を持ち、リン原子が10個の電子（5つの結合対）を持つようにします。
ステップ 5：形式電荷の確認：すべての原子が八電子則を満たしているため、形式電荷の計算は必要ありません。
五フッ化リンの構造では、中心にあるリン原子の周囲に10個の電子（5組の電子対）が存在し、孤立電子対はありません。そのため、PF5の分子構造は三方両錐型になります。赤道面のF-P-F間の結合角は120度、軸方向と赤道面の間の結合角は90度になります。
この理論では、電子反発と化合物が安定な形を取ろうとする傾向を説明します。PF5では、リンとフッ素の間に5つのシグマ結合が形成され、各フッ素原子には3組の孤立電子対があります。リンには3つの価電子軌道しかありませんが、ルイス構造では5つの結合対が示されており、d軌道の利用が示唆されています。しかし、最新の計算によると、PF5の電子構造は、d軌道を用いた5つの独立した結合ではなく、6つの原子全体にまたがる3つの非局在化結合として説明されます。
ルイス構造によると、PF5は三方両錐型の構造をとります。この構造では、5つのフッ素原子が中心のリン原子の周囲に対称に配置され、5つの結合対を形成します。この幾何配置により電子間の反発が最小限に抑えられ、安定な構造になります。
リンとフッ素の相互作用中に関与する軌道と生成される結合を調べることで、五フッ化リンの混成軌道を特定します。関与する軌道は、3s、3px、3py、3pz、3dx2–y2、3dz2です。基底状態のリン原子は3s²3p³の電子配置を持ちます。
励起状態では、3sおよび3px軌道内の電子対が一部不対電子となり、空の3dz2および3dx2–y2軌道に励起されます。これにより、5つの半分埋まった軌道（1つの3s、3つの3p、1つの3d）が混成し、5つのsp3d混成軌道を形成します。
PF5の結合角は、軸-赤道間で約90度、赤道面では約120度です。この角度は、五フッ化リンが三方両錐型構造をとることにより、フッ素原子が規則正しい位置に配置されていることに起因します。PF5の結合長は約0.167nmです。
| 五フッ化リン Cas 7647-19-0 | |
| 分子式 | PF5 |
| 分子形状 | 三方両錐型 |
| 極性 | 無極性 |
| 混成軌道 | sp3d混成 |
| 結合角 | 90度および120度 |
| 結合長 | 0.167 nm |
ルイス構造が極性かを判断するには、分子構造と結合の極性を確認します。五フッ化リン（PF5）の場合、中心にリンがあり、それに5つのフッ素原子が結合しています。PF5は三方両錐型構造で、フッ素原子は対称に配置されており、P-F結合は極性ですが、対称性により双極子モーメントが打ち消し合い、PF5は無極性分子となります。
PF5の総結合エネルギーを求めるには、まず1つのP-F結合の結合エネルギー（約284 kJ/mol）を調べ、それに5本の結合数を掛けます。これにより、PF5全体の結合エネルギーは1420 kJ/molになります。これは1モルのPF5分子のすべてのP-F結合を切るのに必要なエネルギーを表します。
結合次数とは、原子間の化学結合の数を示します。PF5のルイス構造では、各P-F結合は単結合であるため、各P-F間の結合次数は1になります。共鳴構造がある分子では平均値を取りますが、PF5には共鳴構造がないため、結合次数は常に1です。
ルイス構造における電子対とは、共有電子対（結合）と孤立電子対（非結合）を指します。PF5では、リン原子の周囲には5つの電子対があり、すべてが結合対で孤立電子対は存在しません。
ルイスドット構造における点は、価電子を表します。1つの点は原子の価電子1個を示しています。PF5では、リンは5つの結合対で囲まれ、各フッ素は3組の孤立電子対（点）と1つの結合対を持ちます。これにより、原子間の電子の共有やペア形成を視覚的に理解できます。
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