～単結合・二重結合の長さ？＠ベンゼン～

質問

ベンゼンは”正六角形”になっている、と聞いています。
しかし、単結合と二重結合では”単結合の方が長い”、とも聞いています。
これってどういうことでしょう？

構造式を見てみると、ベンゼンは・・・まぁ無理矢理命名すると
『１，３，５－ｃｙｃｌｏｈｅｘａｔｒｉｅｎｅ』って感じでしょうか。
二重結合と単結合が一つおきにありますよね。

・・・じゃあ、正六角形にならないじゃないですかァ！！（何
どういうことなんでしょう？？？
どなたか教えてください。お願いします。m(_ _)m

回答No.7

rei00 · ベストアンサー

gedo-syosa さん
> 試験では点が取れませんが、好きなんですよ～、化学が。（笑
kawariv さん
> 今は基礎をしっかりと学んでおいて下さい。
　今の態度でシッカリ勉強されていれば，基礎は充分身に付くと思います。と言うか，gedo-syosa さんの質問は，どれも大学生の試験問題にしたい位の化学的に重要な点を付いていますよ。これだけの質問ができる方なら，化学的考え方は充分身に付いていると思います。ですので，高校生を意識せずに説明してみます。

　まづ，以前の質問「QNo.152258　～Ｖａｌｅｎｃｅ Ｂｏｎｄ　Ｔｈｅｏｒｙ～（ＶＢ理論）」（MiJun さんの参考 URL のものです）で紹介した「おもしろ有機化学ワ－ルド」（↓）の「基礎有機化学講座」の「7. 構造４ 　ベンゼン、芳香族性、ヒュッケル則、アヌレン、アズレン」（図１２／説明１２，別図１２）をご覧下さい。

　ここに，siegmund さんがお書きのケクレ構造やデュワー構造が出ています。で，実際のベンゼンはこれらの構造のどれか一つでは説明できない性質（ご質問の結合長もそうです）を持っています。そこで考えられたのが「共鳴」と言う考え方です。

　「共鳴」については「3.基礎２　混成軌道、誘起効果、共鳴効果、共役」（図５／説明５）」に説明がありますが，「原子の位置が変わる事なく，電子の移動のみによって起こる分子内の電荷の分布の変化（とそれによる安定化）」です。わかりにくいと思いますが，ベンゼンで言うと，先の構造のどれかで示される状態ではなく，それらの平均化された状態を取っている，という考え方です。

　では，実際にはどういう状態かを考えてみます。まづ，原子間の結合に２種類（σ結合とπ結合）あります。ベンゼンの炭素原子は全て sp^2 混成軌道で結合していますが，この sp^2 軌道は！の様な形（siegmund さんの表現をお借りしました）をしています。この！の頭同士が重なって出きる結合をσ結合と言い，ベンゼン環のＣ－Ｃ１重結合とＣ－Ｈ１重結合がそうです。各炭素はこれで３つの結合を作りましたが，ベンゼン環に垂直に p 軌道が残っています。この p 軌道は横に２つ並んで結合（π結合）を作ることができます。これでベンゼン環のＣ－Ｃ２重結合ができるわけです。つまり，ベンゼン環の２重結合は（他の場合も同じですが），σ結合１個とπ結合１個から出来ています。

　さて，ここで電子は広い空間を占める程安定化できるという事を思い出して下さい。今，できたπ結合の反対側にも p 軌道が存在します。とすると，ここに新たなπ結合を作れば，電子の占める空間が広くなり安定化できます。実際，新たなπ結合ができます。

　ここで，新たにできた結合部分の電子は，最初に考えたπ結合部分の電子です。ですので，その分だけ最初のπ結合部分の電子密度は低くなります。結合を作っているのは，そこに存在する電子ですから，電子の密度が低くなる事は結合が弱くなる事を意味します。つまり，最初３個のπ結合を作っていた電子で６個のπ結合を作るわけですから，結合１個の電子密度は最初の半分になります。この事を示すのに，0.5 重結合と表現します。つまり，ベンゼン環のＣ－Ｃ間はσ結合１個とπ結合 0.5 個からなる 1.5 重結合があると考えるわけです。実際，Ｃ－Ｃ間の距離は ANo.#1 で siegmund さんがお示しのように，１重結合と２重結合の中間（つまり 1.5 重結合）になっています。

　このようにベンゼン間のπ結合の電子は，何処か特定の位置に存在するのではなく，全てのπ結合に渡って存在しています。これを明示するために，ADEMU さんがお書きの様に六角形の中に○を書いて示す事もあるわけです。

　いかがでしょうか。書いていくとキリがなさそうですのでこの辺にします。不明な点，間違いなどありましたら，ご指摘お願いします。しかし，良い質問ですね。この回答を書きながら，私も勉強させて頂きました。

参考URL：

http://www.geocities.co.jp/Technopolis/2515/

お礼

・・・・ホント難しいですねぇ～。（＾＾；
二重結合がσ－ｂｏｎｄとπ－ｂｏｎｄから出来てるのは解るんですけどね。
しかもパソコンの画面をジッと見てると目がチカチカしてきましたよ。（笑

＞電子は広い空間を占める程安定化できる

そうなんですか！
なんかそんなことも知らないで”共鳴”とか言ってる場合じゃないですね・・・。（Ｔ＿Ｔ）
しっかり勉強し直します。

・・でも原子核の近くにいるほど、電子の持つエネルギーは小さいんですよね？
つまり、遠くにいるほど大きなエネルギーを持つんですよね？
ってことは遠くにいるほど暴れてるってことですよね？？
遠くにある方が広い空間を占めていそうなのに？？

う～ん。どういうことでしょう・・・。
なんかどんどん混乱してきました。（笑

補足

あっ、原子核が＋に帯電してて、電子が引きつけられて動けないだけか！
そうですよね？すみません。m(_ _)m

回答No.8

rei00

rei00 です。お礼拝見しましたが，チョット気になったんで，補足いたします。

　「電子の持つエネルギー」を球状の電子が持つ運動エネルギーの様に考えておられませんか。「電子の持つエネルギー」は「その状態を維持するのに必要なエネルギー（つまり，位置エネルギー）」です。

　この辺りの事は私が説明するよりも，過去の「QNo.156050　原子における電子の運動について」（↓）やその中で siegmund さんが紹介されているページを御覧になった方が分かりやすいかと思います。また，次のページも参考になるかと思います。

「新・化学ノート」
　http://www.geocities.com/yoshihitoshigihara/ch_conten.htm
　「1.基本的な理論」の「16.電子軌道」を御覧ください。

「！！ようこそRYUMUホームページへ！！」
　http://www6.ocn.ne.jp/~ryumu72/index.html
　「科学の話」の「RYUMUによる科学のお話」（特に「原子の姿」や「共有結合」）や「RYUMUによるもうちょっとマニアックな科学のお話」を御覧ください。

　この分野に関しては私は一般人ですが，siegmund さんや上記の ryumu さん（ここの回答者でもあります）は非常にお詳しい方ですので，疑問点は別質問にされると丁寧な回答が得られると思います。

参考URL：

http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=156050

お礼

＞「電子の持つエネルギー」を球状の電子が持つ運動エネルギーの様に考えておられませんか。「電子の持つエネルギー」は「その状態を維持するのに必要なエネルギー（つまり，位置エネルギー）」です。

あっ、そうなんですか～！
思いっきり運動エネルギーの様に考えていました。（笑
教えていただいて、ありがとうございます。m(_ _)m

参考ＵＲＬも参考にさせていただきます。

回答No.6

ADEMU

私も高校時代化学が好きでその道へ進みました。
大学の有機化学の授業の時先生に、例えばメチル基（－ＣＨ３）の構造式を書くとき高校ではいちいちＨ－Ｃ－Ｈなんて水素を書きましたが、大学ではそんなわかりきっていることは書かないで－ＣＨ３でいいと習いました。同様にベンゼンも二重結合と単結合の交互に書くいわゆる亀の子は面倒で六角形の真ん中に○を書くと習いました。
つまり、みなさんの説明をよく表現した構造式ということになります。
ご参考までに。
受験勉強頑張って下さい。

お礼

僕もそう書いてますよ。＞　－ＣＨ3　＆　ベンゼン
このベンゼンの六角形の真ん中の○は、
単結合と二重結合の混ざった状態、ということを表しているのでしょうか？

＞受験勉強頑張って下さい。

はい、頑張ります！
応援よろしくお願いします！（爆

回答No.5

noname#211914

以下の参考URLサイトには関連質問の回答がありますが、参考になりますでしょうか？
この中の記載によると「混成軌道」に関しては、現在高校の化学でも勉強されるようですね・・・？
＃６で紹介したサイトにも簡単に「ベンゼン」に関しても記載があります。

rei00さんもいろいろな質問で紹介されてますが、ＴＯＰページで「高校化学」と入れて検索するといくつかＨｉｔしますので参考にしてください。
それらの中で勉強するのに有益な（？）サイトを紹介してますので参考にして勉強して下さい。

今後も不明の点は具体的に質問されれば、皆さん丁寧に回答してくれると思いますよ！！

頑張ってください！

参考URL：

http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=152258

お礼

あれ、『教えて！ｇｏｏ』で書いてるのに・・・『ＯＫＷｅｂ』？（笑
どちらにも表示される仕組みになってたんですか～。

＞この中の記載によると「混成軌道」に関しては、現在高校の化学でも勉強されるようですね・・・？

いえいえ、高校ではｏｒｂｉｔａｌはやりませんので。
ある先生にちょっと習ったんですけど、その先生には質問できないんですよ。（謎

＞今後も不明の点は具体的に質問されれば、皆さん丁寧に回答してくれると思いますよ！！
＞頑張ってください！

質問しまくるんで、これからもよろしくお願いします！m(_ _)m

回答No.4

noname#4746

＞一応、化学科を目指して勉強してるんですよ～。
　試験では点が取れませんが、好きなんですよ～、化学が。（笑

　いい心がけだ(^^)。siegmund さんが仰るように、「好きこそものの上手なれ」です。自分が好きな道に進むのが一番ですよ。その方が、勉学への興味を継続できますし、知識を得る事への貪欲さが出てきますから。

　さて、「共鳴」に関しては、・・・高校生にはどう説明すればよいですかねえ・・・。例えば、ベンゼン環だったら、二重結合の位置はずらしていけますよね。この場合、ずらす前の構造式と、ずらした後の構造式とが共鳴構造式になるんですよ。

　まあ、それはともかく、今は基礎をしっかりと学んでおいて下さい。大学で化学をやりたいなら、高校の化学はしっかりと把握しておく必要があります。基本的に、大学の授業は、高校の授業で履修したことは理解しているとの前提で進行しますので。

　それでは。受験、頑張ってね。

お礼

＞例えば、ベンゼン環だったら、二重結合の位置はずらしていけますよね。この場合、ずらす前の構造式と、ずらした後の構造式とが共鳴構造式になるんですよ。

ひっくり返しただけのように見えるのですが・・・。（爆
う～ん。難しいなぁ～。

＞まあ、それはともかく、今は基礎をしっかりと学んでおいて下さい。

そうですよね。
まずは試験で点を取れるくらいは出来るようにならねば。（＾＾；

＞受験、頑張ってね。

頑張ります！

回答No.3

siegmund

siegmund です．

> 高校３年生にもわかるように、お願いできますでしょうか？？
いやあ，大学生かと思ったもんで...
でも，学校でやらないのに自分でいろいろ調べて勉強するという姿勢は好きだな～．
最近，授業もきちんと聴かない大学生が多くて困ってます．
gedo-syosa さんを見習って欲しいよ(いかん，つい愚痴が...)

kawariv さんが書かれているように，
高校生レベルできちんとした理解はちょっと無理と思いますが，
できるだけ書いてみましょう．

ケクレ構造というのは，よくテキストに書いてある
正六角形で１個おきに一重結合と二重結合があるものです．
ここではちょっと適当な図が描けませんが，質問内容からしてこれはご存知でしょう．
ケクレはこの構造を提唱した人の名前です．

デュワー構造(デュワーも人名)は

　　　／│＼
　　／　│　＼
　 ┃　 │ 　┃
　 ┃　 │ 　┃
　　＼　│　／
　　　＼│／　

です．固定フォントで見てください．
右と左の縦線(太いつもり)が二重結合，
他の線(中央の縦線と斜めの４本の線)は一重結合です．
これを 60゜ずつ回転して３種類の構造が得られます．

「等価」は結合の状態が同じと言うことです．
ケクレ構造ですと，一重結合と二重結合の２種類の隣接炭素間結合があるように
見えますが，
実際は一種類しかなく全部同じです．

「量子力学的共鳴状態」はちょっと難しい．
一重結合と二重結合の中間的状態と理解するより仕方がないと思います．

> 一応、化学科を目指して勉強してるんですよ～。
> 試験では点が取れませんが、好きなんですよ～、化学が。（笑
好きで意欲があるのが一番です．
大学に入ってから伸びるのはこういう人です．

お礼

＞これを 60゜ずつ回転して３種類の構造が得られます．

回転させただけなのに、違う構造として扱うんですか？

回答No.2

noname#4746

gedo-syosa さんは高校生なんですよね？　今の高校生の化学がどの程度まで深く学習するのかちょっと分からないのですが、専門的な説明は取り敢えず置いておきます。

＞二重結合と単結合が一つおきにありますよね。

　その構造式を提案したのは Kekule という人で、「ベンゼンの構造式を示せ」という問題が出たら、そう描くのが正答です。でも、実を言うと、ベンゼンにおける炭素－炭素結合は、二重結合と単結合が一つおきにあるわけではありません。６個の炭素原子は、全て二重結合と単結合の中間状態となっています。つまり、各炭素－炭素結合の強さは同等なのです。このため、ベンゼン環は歪んだ六角形となることはありません。

　これがどういうことかは、ベンゼン環におけるｓｐ２（エスピーツー）混成軌道だとか、π電子が非局在化していることとかと関係があるのですが、この話は高校では学習しないと思います。大学の有機化学の基礎ではありますが。

　一応、参考ＵＲＬを挙げてはおきますが、高校生でこの内容を理解する必要は多分ないはずです。必要があるなら、授業で説明されているはずですので。
　これで興味を持ったなら、大学で化学を専攻すれば、もっと細かく学べますよ！　同じ炭素と水素の化合物だけど、炭素の数が同じエタン（Ｃ２Ｈ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）でなんで水素の数が変わるのか、その際、炭素－炭素、炭素－水素はどのような様式で結合しているのかをイヤでもたたき込まれます(^^)。有機化学の基本ですから。

参考URL：

http://www.geocities.com/yoshihitoshigihara/y_ch18b.htm

お礼

＞gedo-syosa さんは高校生なんですよね？

はい、そうです。いわゆる受験生です。（笑

＞ｓｐ２（エスピーツー）混成軌道だとか、π電子が非局在化していることとかと関係があるのですが、

オービタルやＶＢ理論は一応、ちょっとだけ勉強しましたよ。（学校ではやってませんが
共鳴というのを調べてみたのですが、共鳴混成体とかのことでしょうか？
なんかベンゼンのことが書いてありまして・・・。
ベンゼンの構造式が書いてあって、ひっくり返ったのが書いてあって、
最後に正六角形のベンゼンが書いてあります。（謎
『いくつかの構造式が考えられる場合、その構造を共鳴構造式という。そのような場合、それらが重ね合わされた共鳴混成体（Resonance Hybrid）として考える。』
とか書いてあります。（意味不明

＞大学で化学を専攻すれば、もっと細かく学べますよ！　

一応、化学科を目指して勉強してるんですよ～。
試験では点が取れませんが、好きなんですよ～、化学が。（笑

回答No.1

siegmund

ベンゼンの炭素間結合は一重結合と二重結合の中間の状態です．

炭素に順番に１～６の番号をつけることにして，ケクレ構造ですと
1-2，3-4，5-6 が二重結合のものと
2-3，4-5，6-1 が二重結合のものと
二種類考えられます．
これだと，確かに正六角形にはなりません．
実際は両者の量子力学的共鳴状態で，各結合は等価で正六角形になっています．
典型的一重結合は距離が 1.54Å，二重結合は 1.33Åですが，
ベンゼンの炭素間は 1.397Åで確かに中間の値になっています．

２種類のケクレ構造だけではなく，
いわゆるデュワー構造(３種類)も考慮に入れた方がよりよくベンゼンの状態を
記述できると言われています．

なお，一重と二重結合の混在するような構造式の物質で
必ずこういう風に共鳴で等価になっているわけではなく，
たとえば白川先生のノーベル賞で有名になったポリアセチレンでは
一重と二重結合が両方存在しています．

お礼

あの・・全くわからないんですが。（爆
わからない言葉を書き下しますね↓

ケクレ構造
量子力学的共鳴状態
等価
デュワー構造

高校３年生にもわかるように、お願いできますでしょうか？？（笑