官能基

質問

官能基は反応しやすい反応しやすい部位のことですが、それがなぜ生じるんでしょうか。
酸についてイオン結合性の強いものが強い酸を示すと理解していたのですが、
HClとHFではイオン結合性はHFの方が強いのに、HClの方が強い酸を示すのはなぜ
ですか。例外と考えて良いのでしょうか。

回答No.3

tukitosan

まず「基」の概念から説明します。
「基」とは、「化合物のを構成している部分」のことです。
たとえばエタノールであれば、ＣＨ３－ＣＨ２－ＯＨと示性式で表せます。
このうち、「ＣＨ３－」はメチル基、「－ＣＨ２－」はメチレン基、「－ＯＨ」はヒドロキシル基となります。
また「ＣＨ３－ＣＨ２－」とまとめてエチル基と言うこともあります。

このように、化合物を構成している部分を分けて考えたとき、特定の「基」がある物質に共通する特別な性質が現れてくることが有ります。そこで、その特定の「基」を、「官能基」と呼んでいるのです。
例えば、「－ＯＨ」がありそれが、ベンゼン環に結合していれば「フェノール類」の弱酸性の性質が現れてきますし、またベンセン環以外の炭化水素基に結合していれば、「アルコール」の性質が現れてきたりするのです。

この、官能基の独特の性質が現れるのは、nonkunさんの言われるとおり、電荷の偏り（電子の偏り）によって生じています。

「共有結合」は、構造式中では「－」や「＝」などで示されています。「共有結合」は「共有電子対」が生じることによって生じています。「共有結合」という名前から、つい「お互いの原子が持ち合いをしている」のでこの「共有電子対」は両方の原子から等価で持ち合いをしていると考えがちですが、そうではありません。
どちらかの原子の側に偏っていることが多いのです。この偏りが生じる原因は、原子がどれだけ電子を引きつける度合いが大きいかによって生じているのです。この引きつける度合いを表したのが「電気陰性度」です。

「電気陰性度」は、最大のものが「Ｆ」で4.0、２番目が「Ｏ」で3.5、３番目が「Ｎ」と「Ｃｌ」で3.0となっています。それぞれの原子にこの数値データがしらべられており、共有結合している原子どうしで、この差を計算して小さいものは共有結合性が高く、この差が大きいものはイオン結合性が高くなると判断できます。（これらの数値データは、高校の教科書にも乗っているので必要であれば、他の物質については、調べてください。）

この差が大きいものは、非金属同士の共有結合をしている物質でも電荷の偏りが大きく「＋」や「－」の部分が「基」の中に生じてしまうのです。この「＋」や「－」は、完全に電子のやりとりをしたことで生じる「Ｎａ＋」や「Ｃｌ－」などのイオンとは異なるので「ｄ＋」「ｄ－」と表記します。
（本当は、ｄの部分は、ギリシャ語のデルタで示すのですが、他のコンピュータで字バケするかもしれないという不安があるので「ｄ」で示しました。）
その結果、この「ｄ＋」「ｄ－」と言う部分の電荷の偏りの大きさの違いなどで、「官能基」の性質の違いが現れてくるのです。

ところで、この電気陰性度の大きい「Ｆ」「Ｏ」「Ｎ」が水素原子と共有結合していると、これらの分子間で「水素結合」という特別な結合を生じます。
水素の電気陰性度は2.1でそのため、かなりの電荷の偏りすなわち極性が生じてしまうのです。そのため、特別な水素結合を生じるのです。

フッ化水素ＨＦが弱酸になるのは、水にとけてもフッ化水素同士で水素結合によって結合していて、「端のＨ」しか「Ｈ＋」として電離できないからであると考えるのが一番理解しやすいと思います。「－」で単結合の部分を、「・・」で水素結合の部分を示すと次のように表せます。

　　Ｈ－Ｆ・・Ｈ－Ｆ・・Ｈ－Ｆ・・Ｈ－Ｆ・・Ｈ－Ｆ・・Ｈ－Ｆ～（以下続く）

このような状態でまるで、巨大な分子のような状態になっている左端のＨだけがＨ＋となって電離するできるので、Ｈ＋の生じる割合が少なくなり、弱酸となってしまうのです。

ですから、例外と行ってしまえば、例外的な要素はありますが、他の理由で弱酸となっているのだと考えた方がよいと思います。

また、このように「化学の説明」で大きく、まとめてしまうと例外と言えるような話しは、いくらでもあります。
例えば、一般的には「イオン結合性物質は、水に溶けやすく、また極性の少ない分子は、水に溶けにくく有機溶媒に溶けやすい」のお話です。確かに一般論ではそうですが、例えばイオン結合性物質であるＢａＳＯ４は水に溶けにくいです。これは、Ｂａ２＋とＳＯ４２－の結合力が強いため水和した程度では、この結合力が切れないからだと考えられると思います。しかし、これでも説明しきれないような話しは、いっぱいあります。これが、また、化学のおもしろいところでもあるのですが‥‥。

「説明に上手く乗らないものは、とりあえず「例外」と考えて、後からその細かいところを考えていく」などとするのが、学問を学習する上での、大事なことだと思います。しかし、「例外」がなぜ存在するのかを考えることもわすれてはいけないことです。そこに、科学の本質が隠れていることが多いからです。しかし、「例外」を正しく説明するには、それ相応の知識が必要となることが多いので、後回しにしているだけにしか過ぎないと思って下さい。

助言にでもなれば、幸いです。
tukitosan でした。

お礼

詳しい説明をありがとうございました。
例外になる理由を考えることも大事ですよね。