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Chemistry for Non-Majors

On 11月 25, 2021 by

学習目標

  • ハイブリッド化を定義する。
  • sp3 hybridizationと共有結合形成について説明する。

この植物に見覚えがありますか？

もし我々が海岸を歩いていたら、上に示した植物は非常に違って見えるでしょう。 背が低く、砂から突き出ているような感じです。 このような姿を見ても、すぐに海浜植物とわかるわけではありません。

Hybrid Orbitals – sp3

価電子結合理論で記述された結合スキームは、VSEPR理論で予測される分子形状を説明する必要があります。 そのためには、ハイブリッド軌道という概念を導入する必要があります。

sp 3 ハイブリッド化

残念ながら、既存の原子軌道（s 、p など）の重なりでは、観察される結合や分子形状のいくつかを説明するには十分ではありません。 炭素という元素とメタン (CH 4) 分子を考えてみましょう。 炭素原子の電子配置は 1s 2 2s 2 2p 2 で、下の図のように2p軌道に2個の不対電子を持っていることになる。 炭素原子の軌道配置。

これまでの価電子結合理論の記述によれば、炭素はその2個の不対電子に対応して、2個の結合しか形成しないと予想される。 しかし、メタンは一般的で安定な分子であり、4つの等価なC-H結合を持つ。 このため、2s電子の1つを空の2p軌道に昇格させる（図2参照）。 炭素のs電子を空のp軌道に昇格させる。

これで4つの結合が可能になる。 電子の昇格はわずかなエネルギーを「消費」しますが、結合形成の過程ではエネルギーの減少を伴うことを思い出してください。 現在形成できる 2 つの余分な結合は、全体的なエネルギーが低くなり、CH 4 分子の安定性が高くなることを意味します。 炭素は通常、ほとんどの化合物で4つの結合を形成します。

結合数は正しくなりましたが、幾何学的な構造が間違っています。 3つのp軌道(px , py, pz)は互いに90°の向きになっています。 しかし、VSEPR理論で見たように、四面体のCH 4分子で観測されたH-C-H結合角は実際には109.5oであった。 したがって、炭素の2s、2p軌道と各水素原子の1s軌道の単純な重なりではメタン分子を十分に表現できない。

メタンの結合を説明するには、混成と混成原子軌道の概念を導入することが必要である。 混成とは、ある原子の原子軌道が混ざり合って、一組の混成軌道ができることです。 混成が起こる場合、非等価な軌道が混ざり合うことで起こるはずです。 つまり、s軌道とp軌道は混成できるが、p軌道は他のp軌道と混成することができない。 ハイブリッド軌道とは、同じ原子を構成する2つ以上の非等価な軌道が、結合形成の準備のために結合したときに得られる原子軌道のことである。 現在の炭素の場合、1つの2s軌道が3つの2p軌道と混成して、sp 3ハイブリッドと呼ばれる4つのハイブリッド軌道を形成する（下の図3を参照）。 炭素のsp3ハイブリッド軌道。

sp3ハイブリッド軌道は、すべて互いに等価である。

図4.

sp3混成はs軌道と3つのp軌道のセットを混合して、4つのsp3混成軌道を形成するプロセスである。 ハイブリッド軌道の大きな葉はそれぞれ四面体の一角を指します。 sp 3 ハイブリッド軌道の4つのローブは、次に各水素原子のハイブリッド化されていない通常の1s軌道と重なり、四面体のメタン分子を形成する。

まとめ

  • 共有結合を形成するために電子は混成する。
  • 非等価の軌道が混成してハイブリッド軌道を形成する。 アンモニアと水の混成に関する部分のみを読んでください。

    http://www.adichemistry.com/general/chemicalbond/vbt/hybridization-illustrations.html

    1. アンモニアと水の結合角度はどうなっていますか。
    2. これらの予想外の結合角度に寄与するものはありますか。
    3. アンモニアでは混成すると孤立ペア電子はどうなりますか。
    4. 同じことは水の場合も起こりますか。

      6. 水の場合はどうですか。

Review

  1. なぜ炭素は2つの共有結合しか形成しないと予想されるのですか？
  2. 実際に炭素はいくつの共有結合を形成しますか？
  3. 炭素に4つの結合を形成させるためにはどうしたらよいですか？

Glossary

  • hybridization（混成）…混成のこと。 原子の原子軌道が混ざり合い、一組のハイブリッド軌道を作り出すこと。
  • ハイブリッド軌道。 3599>

学習目標

  • sp軌道とsp2軌道の形成について説明できるようになる。

閉じた輪をどう開くか

ロミオとジュリエットは、史上最高の恋人同士でした。 彼らの抱擁は他者を許さないものでした-彼らはただ互いに一緒にいることだけを望んでいたのです。 二人を互いに引き離すには、外部の介入（親とはそういうものだ！）が必要だったのです。 ペアになった電子は、恋人同士に似ている。 ペアになっている電子は、恋人同士と同じように、ペアが解除されるまで共有結合しません。

Hybrid Orbitals – sp and sp 2

sp Hybridization

A beryllium hydride (BeH 2 ) molecule is predicted to be linear by VSEPR.この分子は、Veryllium Hydride (BeH 2) と呼ばれる。 ベリリウム原子はすべての対の電子を含んでいるので、混成も起こるはずである。 2s電子の1つはまず空の2p x軌道に昇格する（下図参照）。

Figure 5. Be 2s電子の昇格。

ここで、占有軌道のみで混成が行われ、一対のsp混成軌道となる。 残りの2つのp軌道( p y と p z )は混成せず、占有されないままです（下の図6を参照）。

spハイブリッド軌道の幾何学は線形で、軌道のローブは任意にx軸と定義される1つの軸に沿って反対方向を向いています(図7参照)。 それぞれは水素原子の1s軌道と結合して線形のBeH 2分子を作ることができる。

図7. spハイブリッド化とは、s軌道と単一のp軌道(慣習的にpx軌道)が混ざり合い、2つのspハイブリッドの集合を形成することである。 sp ハイブリッドの2つのローブは互いに反対側を向いて、直線的な分子を作る。

電子ドメイン形状が直線的でハイブリッド化が必要な他の分子も sp ハイブリッド軌道を形成する。

sp 2 Hybridization

Boron trifluoride (BF 3 )はVSEPRによって三角形の平面形状を持つことが予測される。 まず対になった2s電子が空の2p y軌道に昇格する(図8参照)。 2s電子の昇格。

この後、3つの占有軌道が混成して3組のsp 2ハイブリッドが形成され、2p z軌道は混成しないままになります（図9参照）。 sp2軌道の形成。

sp 2ハイブリッド軌道の形状は三角形の平面で、軌道のローブは三角形の角を向いている(図9を参照)。 ハイブリッド軌道の2つのローブの間の角度は120°です。

Figure 9.

sp2混成はs軌道と2つのp軌道（p x とp y ）が混ざり、3つのsp2混成軌道を形成することで、sp2軌道の一組となり、sp2軌道の一組となります。 ハイブリッド軌道のそれぞれの大きなローブは平面三角形の1つの角を指している。

三角形の平面電子ドメイン形状を持つ他の分子もsp 2ハイブリッド軌道を形成する。 オゾン(O 3 )は電子ドメイン形状が三角形の平面である分子の一例ですが、中央の酸素にローンペアがあるため、分子形状が曲がっています。 オゾンの中心酸素原子の混成軌道は sp 2 .

まとめ

  • ペア電子は混成して共有結合に参加できる。

練習

以下のリンクを使用して、次の質問に回答してください。 ホウ素のセクションだけ読んでください。

http://www.adichemistry.com/general/chemicalbond/vbt/hybridization-illustrations.html

  1. ホウ素の基底状態の不対電子はいくつあるか。
  2. ホウ素がBCl3に結合するための3つの不対電子はどこから得ているか。
  3. BCl3の形状は？

Review

  1. 基底状態のベリリウム原子は不対電子を含んでいますか？
  2. なぜBeの1個の2s電子は2p軌道に昇格するのですか？
  3. 2個のsp軌道の形状は？
Show References

  1. Priit Kallas (Wikimedia: Pk2000)．http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perspective_branches.jpg .
  2. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
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  4. CK-12 Foundation – Jodi So.
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  7. CK12 ファンデーション – Joy Shang.
  8. CK12 ファンデーション CK-12財団.
  9. Frank Dicksee. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Romeo_and_Juliet_%28detail%29_by_Frank_Dicksee.png .
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    12. Ben Mills (Wikimedia: Benjah-bmm27) による 3D 分子を使って、CK12 Foundation – Jodi So。 3D分子です。 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beryllium-hydride-molecule-IR-3D-balls.png.

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  14. CK-12 Foundation – Jodi So, using 3D molecular structure by Ben Mills (Wikimedia: Benjah-bmm27)． 3D分子です。 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boron-trifluoride-3D-balls.png.

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