化学結合と分 の形 なぜ原 と原 はつながるのかなぜ分 はきまった形をしているのか化学結合の本質を理解しよう
分子の形と電子状態には強い相関がある! 原子 分子 基礎化学 ( 化学結合論 構造化学 量子化学 ) 電子配置分子の形強い相関関係 ( 電子状態 ) ( 立体構造 ) 分子の性質 ( 反応性 物性 ) 先端化学 ( 分子設計 機能化学 ) 機能
分子の形と電子配置の基礎的理解 基礎 ( 簡単 ) 定性的 原子 1) オクテット則 (8 電子則 ) ルイス (Lewis) 構造 分子 2) 原子価殻電子対反発則 (VSEPR 則 ) Valence Shell Electron Pair Repulsion Rule) 電子配置分子の形強い相関関係 ( 電子状態 ) ( 立体構造 ) 3) 原子価結合法 (VB 法 ) 混成軌道 (Hybridized Atomic Orbital) 4) 分子軌道法 (MO 法 ) Molecular Orbital 法 度 ( 複雑 ) 定量的 様々な考え方 ( 手法 ) を対象 目的によって使い分ける!
学習 標と講義の流れ 時と場合に応じて様々な考え方を使い分けたり複合する 3 4 価電子交換相互作用混成軌道 sp 3,sp 2,sp 軌道の重なり結合性軌道反結合性軌道結合次数 σ π 結合 1 2 オクテット則 VSEPR 則電子対電子対間反発 Lewis 構造立体構造超原子価基礎化学 2( 既習 )
1 原 軌道 (Atomic Orbital)
素原 の軌道の概略
水素原子の軌道 r Q n =7 s 軌道 p 軌道 d 軌道 f 軌道 l =0 l =1 l =2 l =3 7s 軌道エネルギー P O n =6 n =5 6s 5s 6p 5p 5d 5f - E = me 4 Z 2 8e 2 h 1 0 2h 2 n 2 N n =4 4s 4p 4d 4f M n =3 3s 3p 3d z z d z 2 d xz d xy y y z L K n =2 n =1 2s 1s x 2p x x x z z z dyz d x 2 -y 2 px p y p z y y y y x x x x z z y y L 2 =l(l +1)h 2 軌道角運動量
軌道全体の形は動径部分と角部分の掛け算で決まる
軌道エネルギー 第 7 周期 16~ 第 6 周期 32 第 5 周期 18 第 4 周期 18 第 3 周期 8 第 2 周期 8 第 1 周期 2 7s 6s 5s 4s 3s 2s 1s 多電 原 の基底状態の原 軌道 電 同 は互いに反発する ( 遮蔽 貫 ) 6p 5p 4p 3p 2p 5d 4d 3d 5f 4f 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s
周期表の成り ち I II III IV V VI VII 5f VII 16~ 7s 6p 1 5d 18 VI 4f 32 6s V 5p 4d 18 5s 4p IV 3d 2 18 4s 13 14 15 16 17 3s 3p III 8 2s 2p 2s 2p II 8 1s 1 H s 1 s 2 s 2 p 1 s 2 p 2 s 2 p 3 s 2 p 4 s 2 p 5 s 2 p 6 Li Be B C N O F Ne 3s I 1s 2 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4s 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3d K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5s 4d Rb Sc Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs6sBa Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr7s Ra d p s 5d La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Ac Th Pa U 4f 5f 3p 4p Np Pu Am CmBk Cf Es Fm Md No f 5p 6p 1s2 He
I II III IV V アルカリ金属アルカリ土類金属 周期表の成り ち 希ガスハロゲン 1 2 13 14 15 16 17 18 H 非金属元素 Li Be 金属元素 B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sc Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe VI Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra VII 典型元素 s ブロック 遷移元素 d,f ブロック 金属元素 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Ac Th Pa U Np Pu Am CmBk Cf Es Fm Md No 典型元素 p ブロック He 非金属元素 ( 希土類 ) ランタノイド アクチノイド
化合物中の原 の最外殻軌道 nd 軌道 (n + 1)p 軌道 np 軌道 (n+ 1)s 軌道 充填軌道 ns 軌道 nd 軌道 充填軌道 典型元素 遷移元素 n=12 1,2 の場合はsp s,p 軌道のみを考えればよい! 遷移金属のs,p 軌道は原子芯 ( 内殻 ) と考える
2 ルイス構造 (Lewis 式 )
共有結合 (2 原 分 )
多原 分
ルイス式の考え方 (1) 全ての最外殻電子は対 ( 電子対 ) を作ろうとする 結合電子対 (bonding pair electron) 注 ) 不対電子が存在する場合もあるので注意する A B A B A B 一重結合 single bond 二重結合 double bond 孤立電子対 (lone Pair Electron) 三重結合 triple bond A 非共有電子対 (unshared electron pair) 非結合電子対 (nonbonding electron pair)
ルイス式の考え (2) オクテット則 (Octet Rule 八隅子則 ) 各原子がその最外殻電子が計 8 個になるように隣合う他の原子と結合電子対を共有する n 2 最外殻電子 = 8 ( 安定電子構造 ) (ns) 2 (np) 6 n=1 最外殻電子 =2 ( 安定電子構造 ) (1s) 2 H C H O
ルイス式を描く 1) 分子の総価電子数 (V) を計算する 例 )CO 2 C の価電子数 = 4 (2s 2 2p 2 ) Oの価電子数 = 6 (2s 2 2p 4 ) 総価電子数 = 4+2x6 = 16 イオンの場合は電荷に応じて増 ( 陰イオン ) 減 ( 陽イオン ) する Nbc = (8x3-16)/2 = 4 2) 共有結合の数 (Ncb) を計算する n 原子分子なら Ncb = (8n-V)/2 水素をm 個含むn 原子分子なら Ncb = (8n+2m-V)/2 3) 各元素を結合でつなぐ 電気陰性度の低い元素が中心にくる 3 員環は作らない 4) 共有結合に電子対を振り分けオクテット則を完成する ルイス式 電子の総和が V で 各原子の最外殻が 8 電子 (4 電子対 ) になるようにする注 ) 多原子イオンの電荷は 特定の原子ではなくイオン全体に振り分けてよい
共鳴構造 (Resonance Structure)
共鳴構造
n 3 の中心元素がある分子やイオンの場合
n 3 の中心元素がある分子やイオンの場合
n 3 の中心元素がある分子やイオンの場合
n 3 の中心元素がある分子やイオンの場合
n 3 の中心元素がある分子やイオンの場合
酸化数について酸数 Oxidation Number
超原子価化合物 Hypervalent Compound n 3 の中心元素がある分子やイオンの場合
2 原 価殻 電 対反発則 (VSEPR 則 )
原 価殻電 対反発 (VSEPR) モデル
VSEPR モデルで分 構造を考える 例えば
一般原理 原 価殻電 対反発則
原 価殻電 対反発則 VSEPR 則に基づく分子の形 ( 価電子対の数と幾何構造 )(1) Angew. Chem. Int.Ed. Engl. 1996, 35, 495-514
原 価殻電 対反発則 VSEPR 則に基づく分子の形 ( 価電子対の数と幾何構造 )(2)
原 価殻電 対反発則 VSEPR 則に基づく分子の形 ( 価電子対の数と幾何構造 )(3)
O F ( ) 原 価殻電 対反発則 H Cl O N + B C C O P F F H H H H H H Cl 104.3 Cl 106.5 H H CO Cl 2 BF 3 H 2 O NH 3 CH 4 PCl4 + F F 101 F F Cl Cl 187 Cl - Cl S Cl P Cl P Cl Cl Cl F Cl Cl SF 4 PCl 5 PCl - 6 F Cl F F F F F F Br I F F F F F VE = 7(I)+7x1(F) F ClF 3 BrF =14=7bp 5 IF7 87.5 84 F F Xe F F Xe F F F XeF2 XeF 5 VE = 8(Xe)+4x1(F) = 12 = 4bp + 2lp VE = 5(P)+4x1(Cl)-1 =8=4bp 中 原 の価電 が8を越えオクテット則を満たさない化合物超原 価化合物 (Hypervalent Compound) VSEPR 則によると分 の構造をうまく説明できる 理想構造からの歪みに対しても考察することができるが, 結合の性質についてはわからない
原 価殻電 対反発則 VSEPR で分子の形を考える ( 例 1)
原 価殻電 対反発則 VSEPR で分子の形を考える ( 例 2)
原 価殻電 対反発則 VSEPR で分子の形を考える ( 例 3)
VSEPR 則の例外 原 価殻電 対反発則
VSEPR 則の例外 原 価殻電 対反発則