医療工学科の化学講義(8)原子の結合その4

前回の講義に対する質問コメントその他なんでも紹介

前回の講義録参照．

• (7)原子の結合(3)(2011-06-01)

配布物

• 原子軌道と分子の形(PDF)

L殻はどうなっているのか?

L殻は2s，2p_x，2p_y，2p_zの4個の軌道から構成されています．2p_x，2p_y，2p_zの4軌道は互いに直行する等価な軌道ですが，これらと2sとは等価ではありません．2sの方がエネルギーの低い軌道なので，L殻に電子が収まって行くときには，まず2sに2個，続いて1個ずつ2p_x→2p_y→2p_zと収まり，さらに1個ずつ2p_x→2p_y→2p_zと収まって行きます．

メタンCH₄分子が形成されるとき

実験により，メタン分子は4本の等価なC-H結合をもつことがわかっています．4本の共有結合をつくるためには，4個の価電子が等価なものになる必要があります．しかし，炭素CのL殻を構成するs軌道とp軌道とは等価ではありません．この矛盾を解消するための考え方が，混成軌道の生成です．

メタンCH₄分子中の炭素原子は，2s，2p_x，2p_y，2p_zの4軌道をミックスし，等価な4軌道に分け直していると考えるのです．この軌道は，1個のs軌道と3個のp軌道から構成されるので，sp³軌道と呼ばれます．

アンモニアNH₃ではどうなっているのか

Cよりも電子が1個多いNを中心にもつアンモニアNH₃の場合は，4本のsp³混成軌道のうち一つがすでに2個の電子で埋まっています．残りの3個のsp³軌道を用いてN-H共有結合がつくられます．このため，NH₃分子内には等価な3本のN-H結合と，1箇所の非共有電子対が存在します．その結果，NH₃分子全体で電子の偏りが生じ，これがNH₃分子を極性分子としています．

水H₂Oではどうなっているのか

さらに電子が1個増えた酸素原子をもつ水H₂Oの場合，2本のsp³混成軌道が非共有電子対で埋まっています．残りの2本がO-H結合に用いられます．この場合も同様に，分子は極性を持ちます．

sp²混成軌道とsp混成軌道

s軌道とp軌道とを再編成して混成軌道をつくる方法は，3通り存在します．

• s軌道1個に対して3個のp軌道を混成させる場合がsp³混成軌道
• s軌道1個に対して2個のp軌道を混成させる場合がsp²混成軌道
• s軌道1個に対して1個のp軌道を混成させる場合がsp混成軌道

詳細は次回．

●pを三つ足してp³になるのがわからないです．3pじゃないんですね・・・．●すみません．いまいちK殻とかL殻とかと混成軌道の関係がわかりません．●sp混成軌道をつくるのはBe，sp²はB，sp³はC以降という感じなのですか?高校で混成軌道を習ったが，理解できなかった．しかし今日はすごくよくわかりました．●パズルみたいでおもしろかった．●極性分子・非極性分子の意味が理解できた．●モデルが不格好になって上手く描けなかった．

日常生活と水素結合

水は凍ると体積を増やします．そのため，冬期に屋外の水道管に水が残った状態で気温が氷点下になると，水の膨張によって水道管が破裂することがあります．そうならないよう，寒冷地では水道管に断熱材を巻くことがあります．

水道管を破裂させるほどの水の膨張はどれほどの威力を示すのでしょうか．ちょいとムービーで見てみましょう．

●化学物質は恐ろしい．化学変化だけじゃなく状態変化でも危険なことに・・・●水が凍るとあんなに威力があるとは初めて知りました．実家は神奈川なのでずっと水道管は破裂するものではないと思っていました．あと，ロシアでは物を凍らせないために冷蔵庫に入れると聞きましたが本当か知っていますか?●水素結合の強さにびっくりしました●私は北から来ました．けど水道管は破裂したことはないです．マンションだからですかね?●固体になると体積が増えるものは水の他にもありますか?●関東より寒い地域ですが爆発は見たことがないです●水の爆発おもしろかったです．家の近くでコーラにラムネ入れて遊びたいです●今日も楽しい爆発が見れました．

確認テスト

• 「原子の結合」確認テスト(3)

●確認テストの形式で出されると悩む．●完璧に理解しきれなかったからきちんと復習したい．ジクロロメタンがわからないので教えてほしい●今日の確認テストはかなり自信ないです．ぱっと見て極性・非極性って分かるものなんですか?

四面体構造の分子では，同じ結合4本から構成されていれば非極性，そうでなければ極性．電子が偏れば極性になるから．

全般

●今日もわかりやすかったです●わからなくなってきましたー●難しかった〜●難しかった●難しかったです・・・●なんかいきなり難しくなってきた・・・．とりあえず水素結合がすごいのは分かった．●6月12日はF1カナダGPです，深夜ですが生放送なので観たいです!今日も化学楽しかったです．●分かったような分かってないような感じです．●高校で化学をあまりしていないのでよく聞いていきたいです．●ねむいです．●次回をがんばって乗り切る●復習に力を入れて周りに遅れないようにしたいです．●しっかり復習しようと思います．雨の日はテンション下がります↓●まだ少しわかりきれていない部分もあるので，分からないところは分かるように復習したい．●モルが苦手なので復習してきます・・・●スライドがわかりやすかったです．●最後の映像が良かった．●みんなのコメントをみるのがおもしろいです．●コーラとバニラを見てみたいので授業でやってほしいです

●スライドのアニメーションや動画がほしいです．●先生のおもしろ実験をまとめたDVDがほしいです．

毎回，この講義録にリンクしています．

●雨の日に遅刻しないように頑張る●ちこくしました．すいません

登校アドベンチャー．出発時刻を早めよ．

質問

●コーラにバニラアイスをまぜるとすごいことになるなら，コーラの上にバニラアイスがのっかっている飲み物がすごいことにならないのはなぜですか?

コーラに何か入れて噴水にするときは，栓を開けたばかりの，炭酸濃度の高いコーラを使っています．飲み物として提供されるコーラはすでに炭酸が抜け始めているので，ここにバニラアイスを乗せても，吹き出すほどの炭酸ガスは残っていないのです．

次回予告

多重結合を原子軌道の視点で理解します．ここで原子の結合についてはおしまいです．

リンク

www.tnojima.net
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生命科学のための基礎化学―無機物理化学編