電子について

質問

電子が分子の形に及ぼす影響の因子となるものが分からないのですが…分かる方よろしくお願いします。

回答No.3

noname#160321 · ベストアンサー

いろいろ悩みましたが、こんな例を一つ。
水分子でなぜ二つの水素は１０４．５度まがって酸素に付いており、他の位置ではないのか。
酸素の原子番号８つまり原子核に陽子が８個、原子状態の酸素では電子が８個、これで釣り合っています。
この電子のうち２個は内核（１Ｓ）の電子と呼ばれ、分子を作る原子間の結合には関与しません。
さて残りは６個これらの電子は互いに区別出来ません。一方、パウリの他排律という原理があり、電子は互いに「同じスピン状態を取ることが出来ない」（白色矮星の中でなら出来る）ので「原子軌道(atomic orbital)」と呼ばれる４つの軌道（オービタル）の中に他の電子と干渉しないように存在しています。
原子状態では上記のように電子の分布に方向も何もありません。ところが水素が二つ結合したとき変化が起きます。酸素の電子のうち２つがそれぞれ水素１個との結合に関与することになります。このときに元あった４つの原子軌道に異変が起きます。酸素の原子軌道のうち二つが２つの水素の原子軌道とそれぞれ「相互作用」してそれぞれ「分子軌道」となります。これが＃２様の言われたsp3の混成軌道で故ライナス・ポーリング先生提唱の「分子の形を決める源」として現在も広く使われる考え方です。
典型的なsp3型はメタン分子で４つの水素が１つの炭素の周りに、炭素を重心の位置に置く正４面体（正三角が４つ）の４つの頂点として結合しています。このときＨ－Ｃ－Ｈの角度は１０９．４７度になります。
酸素ではもとあった電子のうち４つが２つずつペアになって、２つの軌道に入り「非結合電子対」を作ります。（このときもパウリの他排律に従い二つの電子は互いに逆向きの「スピン」を持たねばならなくなります。）結果として「非結合電子対」は二つ出来ます。結果として「結合の分子軌道」二つと「非結合電子対の軌道」二つができあがります。
水の場合Ｈ－Ｏ－Ｈの角度がメタンより小さいのは、この「非結合電子対」が二つの水素、あるいは「結合の分子軌道」を押しのけるからだとも言われます。細かく言うときりがありませんが、このようにして一つの原子の周りの角度が決まり、原子と原子の距離が決まり、結合していない原子の間に親和力と斥力が働いて分子全体の「かたち」が決まります。

お礼

ありがとうございました！具体的でとても役に立ちました。

回答No.2

mojitto

この質問、おそらく分厚い教科書が作れてしまうでしょうね。

例えばエタンとエチレン（エチン）について。
前者の炭素原子の電子の起動はsp3混成軌道、後者はsp2混成軌道です。これによって前者はお互いの炭素原子は回転できますが、後者は回転できません。なぜなら、後者はπ軌道にある電子が回転を邪魔しているからです。イメージとしてはπ電子が炭素原子間の上下を板ばさみにしている感じでしょうか。

例えばシクロヘキサンについて。
シクロヘキサンは大きく分けてイス型、舟形、その中間のねじれ型などに分けられます。
舟形では船首と船尾の部分が近すぎてあたかも磁石の同局が反発するような感じなるため、不安定になります。
イス型は背もたれと足の部分が遠ざかるので一見、安定してそうに見えますが、イスの座る部分が微妙に近いため、少し不安定になるので、若干不安定になります。
ねじれ型はどの炭素原子間も微妙に長めの位置関係なるので最もエネルギー的に安定しています。

例えばＤＮＡについて。
ＤＮＡはＡ－Ｔ　Ｃ－Ｇが対になって二重螺旋を形作ってます。これは核酸の塩基部分が＋と－の対になっているため形成できるわけです。

要素といわれても難しいと思いますが、π電子などの電子軌道、電荷の正負による引力斥力が分子形成に一役買ってます

お礼

ありがとうございました。具体的なご説明で分かりやすかったです。

回答No.1

noname#160321

極端に難しい質問です！
>>電子が分子の形に及ぼす影響の因子となるもの。
電子が原子と原子をつなげて分子を作っています。ですからある意味では「電子は全てをしている」ですが。
一方その要素は単に分子中の各原子核の陽電荷（原子番号と同じ数に）と電子の負電荷（１個）から出来ています。
とも言えます。分子内にある原子の原子核の陽電荷の総和と分子内の電子の数は一致しています。電子がこれより多ければマイナスイオンに少なければプラスイオンになります。
申し訳ありませんが、何が知りたいか、もう少し具体的にお書き下さい。例えば分子の大きさ、分子の曲がり具合、それとも高分子の長さや、結晶の中の分子…。

補足

分かりました。化学結合における、電子が分子の形に及ぼす最も重要な要素だけを教えていただきたいと思いますが、分かりますでしょうか？