～Ｖａｌｅｎｃｅ Ｂｏｎｄ Ｔｈｅｏｒｙ～ （ＶＢ理論）

質問

ＶＢ理論ってのがよくわかりません。
例えばＣＨ4（メタン）はどうして四面体型になるんでしょう？
中心の炭素原子の、２ｓ軌道の電子が１つが２ｐ軌道に昇位してｓｐ3混成に
なるんですよね？？と言うことは、

ｓ軌道（球形）＋ｐ軌道（アロー形）×３＝四面体？？？

確かになってるような気はしますが・・・。
３つのｐ軌道が、それぞれ四面体の頂点の向きに出てるのでしょうか？

そもそも、何故ｓ軌道にあった電子がｐ軌道に昇位するのか・・・。
う～ん。わかりません。どなたか教えて下さい。m(_ _)m

回答No.7

siegmund · ベストアンサー

物理屋の siegmund です．

> 実はまだ高校３年生ですので・・・。

意欲十分ですね．
質問文やお礼にもそういうことが行間ににじみ出ているみたいで，
皆さんの回答も熱心で好意的ですね．
こういうの好きだな～．

rei00 さん：
> siegmund さんお久し振りです。呼ばれたような気がしてやって来ました。
rei00 さんのご回答はよく拝見しています．
前の混成の明解な話は私にも勉強になってよく記憶に残っています．
そういうわけで，参考ＵＲＬに書きました．
呼んだような気もします．というか，呼んでますね(^_^)．

物理屋としての立場からちょっと書かせていただきます．

> 何故ｓ軌道にあった電子がｐ軌道に昇位するのか・・・。

たしかにそこだけ考えればエネルギー的に損をします．
しかし，こういう軌道のエネルギーの概念は
孤立した原子に対して(厳密には水素型原子に対して)成り立つもので，
分子を考えるときは分子全体でエネルギーが一番低くなるように
しなければなりません．
確かに電子がｐ軌道に昇位すれば，炭素原子核との間のエネルギーは損をします．
しかし，sp3混成を作ることによって水素原子との結合エネルギーを得し，
しかも電子同士のクーロン斥力によるエネルギー損を避けることができます．
sとpの混成軌道の電子密度等高線は！マークの様な形をしていますので
(下の・が原点付近)
sp2 混成(！が３本)なら，平面上に互いに120゜の角をなすのが一番電子が離れます．
sp3 混成(！が４本)なら，正四面体状になる(互いの角は約108゜)のが
一番電子が離れます．
こういうことによるエネルギーの利得が昇位によるエネルギー損を
上回ったと言うことです．
結局「損して得取れ」ということになっています．

> 波動関数を計算しないで形を予測することもできるんですかね？
メタンの場合は rei00 さんが書かれているように，
異性体が存在しないという実験事実と組み合わせて，
うまい予測ができました．
では，適当に元素を組み合わせた化合物がどんな構造を取るかを
予測できるかというと，これはなかなか難しい．
構成元素が違えば状況が違って，先程の「損して得取れ」が
「損して損した」になったりします．
化合物まで行かないでも，炭素単体でもいろいろな状態があり，
無定型，グラファイト(黒鉛)，ダイヤモンド，
最近は，フラーレン，カーボンナノチューブ，などいろいろな形があります
圧力，温度，などにより安定な状態が微妙に変化するわけで，
そこら辺を理論的に予測するのは至難の業です．
こういう方面の計算を第一原理的計算，
あるいは ab initio(アブイニシオ)法とよく呼んでいます．

お礼

＞意欲十分ですね．
＞質問文やお礼にもそういうことが行間ににじみ出ているみたいで，
＞皆さんの回答も熱心で好意的ですね．
＞こういうの好きだな～．

皆さんがすばらしい回答をしてくださるので、とてもわかりやすいです。
これからもよろしくお願いしますね。m(_ _)m

＞「何故ｓ軌道にあった電子がｐ軌道に昇位するのか・・・。」について

おぉ！非常によく解りました！（たぶん（爆）
早く大学に行って詳しく学びたいな～。

＞フラーレン，カーボンナノチューブ

・・・コレ見てみたいんですよ。生で。（笑）絵でしか見たことなくて・・・。
前にＮＨＫでカーボンナノチューブの事をやってて、少し見ましたが。