電荷雲模型について。

質問

ある大学の問題で…
「メタンCH4の分子のH-C-Hの角度は109.5度、アンモニア分子のH-N-Hは107度、さらに水分子のH-O－Hの角度は104.2度となる理由を電荷雲模型により説明しないさい」とありました。
この分子の角度と、電荷雲模型とはどういう意味なのでしょうか？
知っておられる方が終われましたら、教えてください。

回答No.4

psa29 · ベストアンサー

メタン、アンモニア、水の中心原子（Ｃ、Ｎ、Ｏ）は全てｓｐ３混成軌道です。ｓ軌道が１つＰ軌道が３つ存在しますので、これら４つの軌道を混成するとｓｐ３混成軌道が４つ出来ます。

４つのｓｐ３混成軌道は正四面体の中心に原子核を置いたとき、中心から４つの頂点に向かって突き出した形をしています。

メタンの場合はその頂点に水素原子が結合しているのです。
全ての結合は等しいので、Ｈ-Ｃ-Ｈの角度は１０９度２８分（約１０９.５度）になります。

アンモニアの場合、３つのｓｐ３混成軌道には水素原子が結合しますが、１つは非共有電子対として存在します。
結合している電子対の雲は窒素の原子核と水素の原子核の間に挟まれているので、水素原子のいない非共有電子対よりも広がりが小さくなっています。

逆からみると、非共有電子対は水素原子が居ないため、共有電子対よりも電子雲が広がっているのです。

このような状況で電子雲同士の反発力を考えると38endohさんがお書きのように反発力はLP-LP > LP-結合 > 結合-結合になるのでしょう。

アンモニアでは、非共有電子対と共有電子対との間の角度が１０９.５度よりも大きくなる（反発力が強いので）から、逆にＨ-Ｎ-Ｈの角度は小さくなってしまうのです。

水のＨ-Ｏ-Ｈの角度がさらに小さくなることはもうおわかりですね。

今回の分子は単結合しかもっていません。よってｓｐ３混成軌道になっています。

この問題とは関係ありませんが、もし、不飽和結合（２重結合や３重結合）の炭素原子ならばｓｐ３とはなりません。

２重結合の炭素はｓｐ２混成軌道となり、（１つのｓ軌道と２つのｐ軌道から３つのｓｐ２混成軌道ができｐ軌道が１つ残った状態）各々のｓｐ２軌道の角度は１２０度になります。
（３重結合はｓｐ混成軌道なので１８０度になります。）

回答No.3

38endoh

perden さんは専門家なので単なる打ち間違いかと思いますが，メタンもアンモニアも水も，すべて sp3 混成軌道ですね。sp2 混成軌道などどこにもありません。第一，すべて sp3 軌道だから角度の議論ができるのです。

ちなみに，メタンの 109.5 度を，計算で正確に求められますか？　これは単なる空間ベクトルのなす角の問題（高校数学レベル）ですので，もし興味があれば考えてみては？

回答No.2

perden

こういう問題はよく大学一年生が使う教科書に記載しありますね。メタンCH4のH-C-Hはsp3混成軌道をとっていて、アンモニア分子のH-N-Hはsp2、さらに水分子H-O－Hもsp2混成軌道をとっている。したがってメタン分子がこの中で最も角度が大きいことがわかりますね。アンモニアと水では非結合電子対がぞれぞれ1,2対存在しているから水の角度が鈍いことがわかります(これは電子反発則っていったかな)。

回答No.1

38endoh

「電荷雲模型により説明…」というのはローンペアーの存在を認識しなさい，という意味では？　ローンペアーは bulky で，互いに反発が強いため，ローンペアー数が増えるほど，結合角が圧迫されて小さくなります。まぁ正確に書けば，反発の度合いは，以下のようになっているということです。

LP-LP > LP-結合 > 結合-結合

お礼

返事遅くなって申し訳ありません。
解答有難うございました。
反発の度合いという所が特に助かりました。