混成
混成は、化学における分子の形状と性質を予測し説明するための概念です。20世紀初頭に発展したこの概念は、化学結合の形成中に原子軌道がどのように混ざり合い、新しい同等の混成軌道を形成するかを説明するのに役立ちます。混成の概念は、さまざまな物質における分子の形状と結合を説明する上で重要です。
原子軌道の理解
混成に進む前に、原子軌道とは何かを理解することが重要です。原子軌道とは、電子が原子の核の周りで見つかる可能性がある領域のことです。これらの軌道は、その形状とエネルギー準位に応じてs、p、d、およびfと名付けられています。
- s軌道は球形です。 - p軌道はダンベル型で、x軸、y軸、z軸に沿っています。 - dおよびf軌道はより複雑な形状をしています。原子内では、電子はアウフバウ原理、フントの規則、およびパウリの排他原理に従ってこれらの軌道を満たします。原子が集まって分子を形成する際、これらの原子軌道は組み合わされ、または混成され、新しい軌道を形成し、分子の形状とエネルギーに影響を与えます。
混成とは何か？
混成は、分子で化学結合を形成するために電子を対にするのに適した新しい混成軌道に原子軌道を組み合わせるプロセスです。このプロセスにより、原子はより強固で安定した化学結合を形成することが可能になります。
一般的に、混成は異なる原子よりも、同じ原子の軌道の混合を含みます。混成の種類は、新しい軌道の特徴に基づいて命名されます。一般的な種類には以下があります：
spsp 2sp 3sp 3 dsp 3 d 2
メタンの混成：sp 3混成の例
混成がどのように機能するかを理解するために、メタン（CH 4）の例を取り上げましょう。メタンは1つの炭素原子が4つの水素原子と結合しています。基本状態では、炭素は1つの2s軌道と3つの2p軌道を持っています。
炭素の基底状態電子配置：1s 2 2s 2 2p 2水素と4つの等価な結合を形成するために、炭素はsp 3混成を受けます。この過程で、2s軌道はすべての3つの2p軌道と混ざり、4つの等価なsp 3混成軌道を形成します。
各sp 3混成軌道 = (1s + 3p)これらの各sp 3混成軌道は、水素原子の1s軌道と重なり、4つのσ（シグマ）結合を形成し、これらはエネルギーとサイズが同等です。これにより、メタンは約109.5度の結合角を持つ四面体構造になります。
その他の混成の種類
sp混成におけるアセチレン
アセチレン（C 2 H 2）はsp混成の古典的な例です。この分子では、各炭素原子が1つの水素ともう一つの炭素原子と結合しています。ここでは、炭素原子が1つの2sおよび1つの2p軌道を組み合わせて2つのsp混成軌道を生成します。
各sp混成軌道 = (1s + 1p)sp混成軌道は、水素とのσ結合および2つの炭素原子間のもう一つのσ結合を形成します。残った非混成の2p軌道は2つのπ（パイ）結合を形成し、アセチレンには180度の結合角を持つ線形形状を与えます。
sp 2混成におけるエテン
エテン（C 2 H 4）、またはエチレンはsp 2混成を示します。エテンの各炭素原子は2つの水素原子ともうひとつの炭素原子と結合しています。これは1つの2s軌道を2つの2p軌道と組み合わせて3つのsp 2混成軌道を形成することによって達成されます。
各sp 2混成軌道 = (1s + 2p)エテンでは、sp 2混成軌道が水素原子および他の炭素とのσ結合に参加します。各炭素上の残りの非混成2p軌道が横に重なり、π結합を形成し、120度の結合角を持つ平面構造を生じます。
sp 3 d混成における五塩化リン
五塩化リン（PCl 5）はsp 3 d混成の良い例です。この分子では、リンが5つの塩素原子に囲まれています。リンの3s、3つの3pおよび1つの3d軌道が組み合わさって、5つの等価なsp 3 d混成軌道を形成します。
各sp 3 d混成軌道 = (1s + 3p + 1d)これらの混成軌道は正三角二重錐構造に配置され、3つの塩素が120°の角度を持つ赤道位置に、2つの塩素が180°の角度を持つ軸位置にあります。
sp 3 d 2混成における六フッ化硫黄
六フッ化硫黄（SF 6）ではsp 3 d 2混成が見られます。この化合物では、硫黄が3s、3pおよび2つの3d軌道を使用して6つの結合を形成し、6つの等価なsp 3 d 2混成軌道を形成します。
各sp 3 d 2混成軌道 = (1s + 3p + 2d)これらはすべての結合角が90度の正八面体形状に配置されます。この構造は非常に対称的で、SF 6にその独特の特性を与えます。
混成の重要性
混成の概念は、分子の形状と結合を理解するために重要です。それにより：
- 結合角と分子形状の予測が可能になります。
- メタンのような分子での結合の等価性を理解します。
- 遷移金属複合体のような複雑な化合物の特性を説明します。
さまざまな化学結合理論の方法が存在しますが、混成は分子構造と相互作用を視覚的に理解し予測するための簡単な方法を提供します。
混成の限界
混成は一般化学で有用な概念ですが、限界があります。それが適用されない場合があるのは：
- 非共有結合特性を持つ分子。
- 遷移金属（複雑な電子相互作用のため）。
- 相対論効果が重要な重い元素を含む化合物。
分子軌道理論や原子価結合理論などの高度な方法が、これらの系に対してより正確な記述を提供することができます。
結論
混成は、化学において原子がどのように結合し、三次元空間に配置されるかを理解するのに役立つ基本的な概念です。メタン、アセチレン、五塩化リンの例を通じて、原子軌道の混成過程から生じるさまざまな構造を理解することができます。混成には限界があるかもしれませんが、分子の世界を理解するための化学者にとっての重要なツールの一部です。
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