混成とその種類

混成という魅力的な概念は、化学結合と分子構造を理解する上で重要な役割を果たします。混成は、原子軌道の再配置を説明する理論モデルであり、通常は共有結合を形成するための電子対の形成に適した新しい混成軌道を形成します。混成の概念をより深く掘り下げ、その種類を探求し、分子の幾何学を予測する上でどのように役立つかを理解しましょう。

混成とは何ですか？

混成は、原子軌道を混ぜ合わせて新しい軌道である混成軌道を形成するプロセスです。この概念は、メタン（_CH4）のような分子の構造を満足に説明できない既存の原子構造の概念を説明するために導入されました。混成軌道は縮退しており、同じエネルギーレベルを持ち、構成要素である原子軌道の特徴を共有しています。

なぜ混成は重要なのですか？

混成は以下のことを説明するのに役立ちます：

• 化合物の分子幾何学。
• 分子内の結合角度。
• 化学結合の安定性と強さ。

混成の基本原則

混成に関するいくつかの重要な原則を理解する必要があります：

1. 混成軌道は、同じ原子上にある原子軌道を混ぜることによって形成されます。
2. 形成される混成軌道の数は、混ぜ合わせた原子軌道の数に等しいです。
3. 混成軌道は、互いに最大の距離を保ち、電子対の反発を最小限に抑えるように配置されます。

混成の種類

混成は、異なる幾何学と結合タイプを生成することができます。混成の種類は、混ぜ合わせる軌道の数と種類に依存します。主な種類を以下に示します：

1. sp 混成

sp 混成では、s 軌道と p 軌道が組み合わさって、2つの同等の sp 混成軌道を形成します。各軌道は 50% の s と 50% の p キャラクターを持っています。このタイプでは、軌道は互いに 180 度離れて配向され、線形幾何学が形成されます。

例：アセチレン（C₂H₂）

アセチレンでは、炭素原子は sp 混成されています。各炭素原子は2つの sp 混成軌道を形成します。そのうちの1つは水素とシグマ結合を形成し、もう1つは他の炭素原子とシグマ結合を形成します。混成されていない p 軌道は互いに重ね合わさり、π結合を形成し、炭素原子間に三重結合をもたらします。

C - H : sp ≡ H - C : sp

2. sp2 混成

sp2 混成では、1つの s 軌道と2つの p 軌道が混ぜ合わされて、3つの同等の sp2 混成軌道を形成します。これらの軌道は平面的な三角形配置で、各間は120°の角度で配置されています。

例：エチレン（C₂H₄）

エチレンでは、各炭素原子は sp2 混成されており、sp2 混成軌道は水素や他の炭素とのシグマ結合を形成します。残りの混成されていない p 軌道は互いに重なり合ってπ結合を形成し、炭素原子間に二重結合を形成します。

H - C = C - H sp2

3. sp3 混成

sp3 混成では、1つの s 軌道と3つの p 軌道が混ぜ合わされて、4つの同等の sp3 混成軌道を形成します。これらの軌道は、109.5°の結合角を持った四面体の形を取ります。

例：メタン（_CH4）

メタンでは、炭素が sp3 混成されており、4つの sp3 混成軌道が水素とシグマ結合を形成します。

H - C - H sp3

4. sp3d 混成

sp3d 混成では、1つの s、3つの p、および1つの d 軌道が組み合わされて、5つの sp3d 混成軌道を形成します。これにより、三方両錐の配置が形成されます。

例：五塩化リン（_PCl5）

五塩化リンでは、リンが ^sp3d 混成されており、塩素と5つの同等の結合を形成し、三方両錐の形を成します。

P / |  Cl Cl Cl | | Cl Cl

5. sp3d2 混成

sp3d2 混成では、1つの s、3つの p、および2つの d 軌道が組み合わされて、6つの同等の混成軌道を形成します。これにより、八面体の配置が形成されます。

例：六フッ化硫黄（SF₆）

六フッ化硫黄では、硫黄が sp3d2 混成されています。6つのフッ素と八面体の形で結合し、90°の結合角を持っています。

F | FSF | F  | / F

混成を決定する方法

ステップ 1: 価電子を数える

中央の原子にある価電子の数から始めます。周囲の原子や分子またはイオン上の電荷の影響を考慮に入れます。

ステップ 2: 分子の形状を決定する

VSEPR（価電子対反発理論）を使用して分子の形を予測します。これにより、必要な混成軌道の数を予測するのに役立ちます。

ステップ 3: 混成のショートカットを使用する

中央の原子の周囲の電子密度の領域は、混成を予測するのに役立ちます。以下はガイドラインです：

• 2 領域: sp
• 3 領域: sp2
• 4 領域: sp3
• 5 領域: sp3d
• 6 領域: sp3d2

異なる化合物の中の混成

水（_H2O）

水の構造は曲がっており、その結合角は104.5°です。水中の酸素は sp3 混成されており、2つの孤立電子対と水素との2つの単結合を持っています。

H - O - H sp3

アンモニア（_NH3）

アンモニアの窒素原子は sp3 混成されています。窒素は水素と3つのシグマ結合を形成し、孤立電子対を保持して三角錐形状を成します。

H - N - H | H

三フッ化ホウ素（_BF3）

三フッ化ホウ素は sp2 混成を示し、ホウ素はフッ素と3つのシグマ結合を形成します。これにより、120°の結合角を持つ平面的な三角形形状を形成します。

F | BF | F

化学における混成の重要性

混成は、分子が特定の形状や結合タイプを採用する理由を理解するための重要な概念であり、化学反応の物理的および化学的特性に影響を与えます。それは実験データと一致した首尾一貫したモデルを提供し、分子構造と反応性を予測するのに役立ちます。

混成は貴重な理論的ツールですが、原子内の電子の真の量子力学的性質を単純化していることを理解することが重要です。それでもなお、分子の幾何学と結合特性を説明するための化学教育の基礎を形成しています。

結論

混成は、特定の幾何学を持つ分子を形成するために原子がどのように結合するかを理解するための基盤を築きました。原子軌道を混ぜ合わせることにより、混成は分子の形状、結合角度、および結合パターンを説明し、最終的に化学の世界を形作ります。

コメント