混成軌道がよくわかりません。

質問

次の分子において、炭素原子はどのような混成軌道を形成していると考えられるか
という問題ですが、そもそも混成軌道というのが教科書を読んでもいまいちわかりません。

今、問題の一つに四塩化炭素があるのですが、どのように考えればいいのでしょうか？

ご教授お願いします。

回答No.3

F-liszt

教科書にはいろいろ書いてあると思いますが
要はｓ軌道とｎ（１から３）のｐ軌道が、単純に足し合わせて、ｓｐｎ（１から３）が新たにできると解釈すればいいかと思います。
ｓｐ３にならない時は二重結合を作るため（σ結合とπ結合が理解できてれば意味がわかると思います）、ｓｐ２とｐ軌道になったり、カルボカチオン（ＣＨ３＋）ではｓｐ２と空のｐ軌道になったりします。

回答No.2

noname#160321

周期表第二周期では１ｓ以外に２ｓ軌道１つと２ｐ軌道３つを考えることが出来ます。
これら４つの軌道は互いに直交していて(ｐ三つは目で見て分かるようにｘ、ｙ、ｚ方向と互いに直交していますが、ｓとｐが直交しているのはベクトルの内積を考えて下さい)相互作用がありません。
この四つの軌道は直交さえしていれば(内積を取れば)組み替えてまた別の組み合わせにしても構わないのです。
それが量子力学の考え方。
内積と言いましたが実際には波動関数同士の積分なんですが難しすぎるので忘れましょう。^o^
そこでライナス・ポーリング先生(ノーベル化学賞・平和賞)みたいな偉い先生が出てきて、この四つを振り分ける方法を考えてくれたのです。
四塩化炭素やメタンは正四面体の各頂点で他の原子と結合しているｓｐ３が四つに組み替えます。この内積がまたゼロなんですなー。
二重結合がある場合ｘｙ平面内の正三角の頂点で結合していて(ｓｐ２)あとこの平面と垂直なｚ方向に２ｐｚが１個。
アセチレンなんかですとｘ軸の+方向と-方向に向いたｓｐが２つとy方向ｚ方向を向いた２ｐｙと２ｐｚがあることになります。
さて絵を探そう：
あ、wikiにある、？、何だか重いなー(汗
m(_ _)m

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B7%B7%E6%88%90%E8%BB%8C%E9%81%93

回答No.1

noname#62864

炭素原子が、４本の共有結合をつくる場合に、2s軌道で1本＋2p軌道で3本の結合をつくるよりも、それらの軌道を混ぜ合わせて、sp3混成軌道をつくり、それを使って４本の共有結合をつくるのが、全体としてはもっとも安定になると言うことです。

ただし、sp3混成軌道というのは四塩化炭素やメタンが４本の等価な結合をつくると言うことを説明するための考え方の１つであり、他の理論との整合性もあることから、広く認められている考え方であると理解して下さい。
決して、2sや2pの軌道が混ざり合って、混成して、そこに塩素原子がやってきて・・・ということがこの順番で起こっているわけではなく、実験結果（あるいは実際の分子の構造）を説明するために、「このような順序で考えている」だけです。

ただ、おそらく、上の説明ではまだわからないと思いますので別の視点でも説明します。すなわち、基本的には電子同士の反発が最小になる構造が安定です（例外もありますが）。炭素原子が４本の共有結合をつくると言うことは、結合電子対（共有電子対）が４組存在することになります。そうしますと、それらの電子対の間には反発力がはたらきます。結果的に、４組の電子対が空間的にもっとも離れようとします。その形こそがまさにsp3混成です。sp3混成が安定である理由はこのあたりにもあります。

このように考えれば、四塩化炭素の炭素は４本のシグマ結合を形成しており、それが空間的にもっとも離れるのはsp3混成の形になったときであるので、四塩化炭素はsp3であると考えればよいことになります。
ただし、この考え方ではパイ結合を除外して考える必要があります。

ちなみに、アンモニアの場合にはシグマ結合は３本ですが、孤立電子対があり、電子対の反発を考える際には、その孤立電子対についても考慮する必要がありますので、混成はsp3ということになります。