【化学】1から化学勉強法~分子の構造~

2018年12月12日

$\ce {sp^3}$混成軌道

メタン$\ce {CH4}$と紙に書いた場合、なんだかメタン$\ce {CH4}$の構造式をみると平面のように感じますが、実際は正四面体です。
理由としては、メタン$\ce {CH4}$における4つの$\ce {C-H}$結合がいずれも等しいからです。

炭素原子の価電子は$\ce {2s^2 2p^2}$の4個ですが、化学結合を生じるようなエネルギーの高い状態では、この4個の価電子の軌道が互いに干渉しあって新しい等価な4つの軌道ができる。このようにしてできた軌道を混戦軌道といいます。

メタンのような場合では、1個の$\ce {s}$軌道と3個の$\ce {p}$軌道の混成からできたので$\ce {sp^3}$混成軌道といいます。

$\ce {sp^3}$混成の電子雲は、中心原子から製紙面端の頂点方向に手が広がります。
アンモニア$\ce {NH3}$の$\ce {N-H}$結合も$\ce {sp^3}$混成であって、アンモニア分子のようなほぼ正四面体の構造をとります。

$\ce {sp^2}$混成軌道

エチレン$\ce {C2H4}$の分子構造は平面構造とります。
$\ce {C2H4}$の炭素原子間の二重結合は、炭素原子の価電子$\ce {2s^2 2p^2}$の$\ce {2s}$軌道と2個の$\ce {2p}$軌道が干渉しあって生じた3つの等価な混成軌道になります。これを$\ce {sp^2}$混成軌道といいます。

これらの混成軌道の1つが相手の炭素原子の混成軌道の1つと結合し、残りの2つが水素原子の1s軌道と結合して、それぞれ$\sigma$結合を形成している。

炭素原子の残りの価電子は$\ce {2p}$軌道にあって、この$\ce {2p}$軌道は3つの混成軌道が作る平面に垂直な方向に広がっている。

この$\ce {2p}$軌道どうしが結合してπ結合を生じています。すなわち、$\ce {C2H4}$における二重結合は、1つの$\sigma$結合と1個の$\pi$結合からなります。

ベンゼン$\ce {C6H6}$の炭素元素も$\ce {sp^2}$混成軌道で他の炭素原子および水素原子と結合していて、平面構造をとります。すなわち、$\ce {sp^2}$混成軌道のうち、2つは両隣りの炭素原子の$\ce {sp^2}$混成軌道の1つと$\sigma$結合を作っています。$\ce {p}$軌道はお互いに$\pi$結合を作っています。

$\ce {sp}$混成軌道

アセチレン$\ce {C2H2}$の分子構造は直線型です。この分子の炭素原子間の三重結合は、$\ce {sp}$混成軌道となります。すなわち、炭素原子の価電子は、$\ce {sp}$混成軌道2つと$\ce {p}$軌道2つに存在しています。

$\ce {sp}$軌道の1つは相手の$\ce {sp}$混成軌道の1つ。またもう1つは水素原子と$\sigma$結合をつくります。2つの$\ce {p}$軌道は相手の$\ce {p}$軌道と、$\sigma$結合の放送に垂直でしかも互いに直行する方向で、2つの$\pi$結合を作っています。

電気陰性度

イオン結合と共有結合では電子の動きが異なります。しかし、現実に存在している分子を構成している結合は、イオン結合と共有結合の共鳴である。例えば、きたいの$\ce {HCl}$分子における$\ce {H-Cl}$間の結合は16.7%のイオン結合と83.3%の共有結合性の寄与からできています。この場合は以下のような2つの構造の共鳴が考えられます。

$$\ce {[H]+ [Cl]^{-} <-> HCl}$$

イオン結合性か共有結合性かを判定する尺度に電気陰性度があります。これは化合物中において原子が電子を引き寄せる度合いを示す尺度であって、ポーリングやマリケンらによって定義されています。

よくみるのはポーリングによる電気陰性度です。

前回の記事同様、図に関しては後ほど作って載せます。
mhchemを使うとやっぱりきれいに書けるな~。

2018年12月12日

Posted by xxxchem