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混成軌道という言葉をご存じなくらいなので、有機化合物の多様性の原因は、存じ上げていそうですけど… メタン(CH4)が、炭素を中心とし、正四面体構造であることが19世紀に提唱されました。 ご存じの通り、炭素は原子番号6で、外殻電子は4つです。 2s軌道に2つ、2p軌道に2つ入るわけですが、メタンを構成するときは、2s軌道の1つの電子が励起して、2p軌道に入り、それぞれ等価に4つの手として、σ結合を構成します。(sp3混成軌道) また、時に2重結合(sp2混成)、3重結合(sp混成)をなし、さらには、酸素や窒素原子などを加えることで、文字通り無限の構造を構成できることが、多様性の原因になろうかと思います。 ちなみに、炭素属…という論点から比較すると、電子殻が原子核から遠ざかるにつれて、クーロン引力が弱まり、よりイオン化エネルギーが小さくなる分、共有結合としての力も弱まり、ケイ素以降では、炭素ほどのバリエーションができづらくなると言えるかもしれません。
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混成軌道という言葉をご存じなくらいなので、有機化合物の多様性の原因は、存じ上げていそうですけど… メタン(CH4)が、炭素を中心とし、正四面体構造であることが19世紀に提唱されました。 ご存じの通り、炭素は原子番号6で、外殻電子は4つです。 2s軌道に2つ、2p軌道に2つ入るわけですが、メタンを構成するときは、2s軌道の1つの電子が励起して、2p軌道に入り、それぞれ等価に4つの手として、σ結合を構成します。(sp3混成軌道) また、時に2重結合(sp2混成)、3重結合(sp混成)をなし、さらには、酸素や窒素原子などを加えることで、文字通り無限の構造を構成できることが、多様性の原因になろうかと思います。 ちなみに、炭素属…という論点から珪素などと比較すると、電子殻が原子核から遠ざかるにつれて、クーロン引力が弱まり、よりイオン化エネルギーが小さくなる分、共有結合としての力も弱まり、炭素ほどのバリエーションができづらくなると言えるかもしれません。
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窒素原子は、原子番号7ですよね。 ということは、窒素原子単独では、7個の電子を持っています。 うち、2個は1S軌道に入るとして、のこり5つの電子は、エネルギー順位より、2Sに2個、2P軌道に3つ入ります。 p軌道は、1平面に対して電子分布確率がないのでx軸方向の分布、y軸方向の分布、z軸方向の分布の3種類できます。 それぞれが、マイナスの電荷を持ち、反発し合いますから、それぞれが最も遠くなるような配置が安定になります。 が、ここで、2s軌道(孤立電子対)もこの分布に関わってきてしまいます。 2s、2px、2py、2pzそれぞれ4つの電子分布がもっとも遠くなる構造が、正四面体構造になります。 その4つがそれぞれ、正電荷を持つH+を引き寄せるので、NH4+という構造になります。 あとは、前述の通り…ということになるでしょう
お礼
何度も回答有難うございます。非常によくわかりました。恐縮ですがあと追加で、有機物の多様性の原因について出来ればご教授ください。よろしくお願いします。
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NH3を考えると、 孤立電子対があるので、三角錐のような構造になることが分かると思います。 電子対は負電荷なので、水分子より、H+イオンが寄せられ、結果として OH-が残り、塩基性となります。 NH3 のH 1個をアルキル基に置換すると、電気陰性度の関係でアルキル基は、電子供与性のI効果を示します。 すると、Nの孤立電子対は、NH3のときより、負の電荷がわずかに強くなり、より塩基性を強めます。 2級、3級になるにつれて、電子供与の効果が強まるので、より塩基性が強くなっていきます。 という感じでよいでしょうか?
お礼
134さん、回答ありがとうございます。どうやら混成軌道法を使って考えなければならないようです。それが具体的にわかりません。
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ほんとにありがとうございました。僕は別に工学部とかではないのですが、大学の授業でやってて分からなかったものですから。これからも何か質問に来るかもしれないのでそのときはよろしくお願いします。