混成軌道(アセチレン、エチレン、エタン)

サイトのTOP→理系インデックス





参考 ( 混成軌道 )

原子内で異なる原子軌道が混合されることで生じる軌道を 『 混成軌道 』 という。

よく知られているように、異なる原子の原子軌道が相互作用することで分子軌道が形成される。

一方、混成軌道では1つの原子内で原子軌道が混合される。

定義 ( sp混成軌道 )

s 軌道と p 軌道が1対1の割合で混成したものを 『 sp混成軌道 』 という。

むろん、sp混成軌道 a と b のエネルギー準位は s と p の中間である。

a は z 軸正方向に電子波が強められて広くなる。(★1)

b は z 軸負方向に電子波が強められて広くなる。(★2)



各混成軌道は次式で表される。(係数は規格化係数)

(★1)と(★2)の補足

図示すると、



このように、混成軌道は特定の方向に対して電子波が広がる。

これによって他原子と相互作用しやすくなる。

定義 ( sp混成軌道 )

s 軌道と p 軌道が1対2の割合で混成したものを 『 sp混成軌道 』 という。

sp混成軌道 a、b、c のエネルギー準位は s:p=1:2 の加重平均である。

a、b、c は平面内で 120°ずつ異なる方向に電子波が強められる。(★)



各混成軌道は次式で表される。

(★)の補足

既に述べたように、sp混成では s:p=1:2 である。

ただし、位相の違いを考慮すると、

(*1) p:p=2:0

(*2) p:p=−1:√3

(*3) p:p=−1:−√3

まず、(*1)の場合、電子波は 0°の方向へ強められる。

また、(*2)の場合、電子波は +120°の方向へ強められる。

また、(*3)の場合、電子波は −120°の方向へ強められる。

定義 ( sp混成軌道 )

s 軌道と p 軌道が1対3の割合で混成したものを 『 sp混成軌道 』 という。

sp混成軌道 a、b、c、d は立方体の中心から四頂点の方向に電子波の広がりをもつ。

つまり、各軌道は正四面体角 109.5°ずつ異なる方向をもつ。



各混成軌道は次式で表される。

定義 ( 原子価状態 )

1つの原子がつくる結合の個数を 『 原子価 』 という。

よく知られているように、原子は互いに不対電子を出し合うことで共有結合をつくる。

この場合、原子価は基底電子配置の不対電子数に等しい。

しかし、炭素原子 C は不対電子数が2であり、その原子価は4である。

そこで、2s軌道から2p軌道に電子が1つ励起した励起電子配置を考える。

すると、不対電子数は4となり、これは原子価に等しい。

また、混成軌道の場合にも不対電子は4となる。

このように、原子価を満たす電子配置を 『 原子価状態 』 という。

図示すると、



つまり、原子価状態は基底電子配置よりエネルギーが大きい。

基底電子配置が原子価状態になるためのエネルギーを 『 昇位エネルギー 』 という。

炭素の場合、sp、sp、sp の昇位エネルギーは 2s 電子1個を 2p に上げるエネルギーである。

つまり、sp、sp、sp 混成軌道の昇位エネルギーは等しい。

むろん、昇位するとエネルギー的に不安定となる。

ただし、共有結合の形成によって十分に安定化するのであれば、原子価状態を経由した反応が可能となる。

参考 ( 基底電子配置、原子価電子配置 )

Be、B、C の基底電子配置と原子価電子配置は、

基底電子配置を図示すると、

参考 ( 混成軌道の具体例 )

(1) エタンは sp 混成軌道から成る。

(2) エチレンは sp 混成軌道から成る。

(3) アセチレンは sp 混成軌道から成る。

(1)の説明

エタン(C)の炭素は sp 混成軌道を形成している。

つまり、各炭素原子は3つのCHσ結合と1つのCCσ結合をもつ。

つまり、エタンは炭素間で1つの共有結合のみをもつ。

よって、2つのメチル基 CH は分子軸 C-C に関して自由に回転できる。

(2)の説明

エチレン(C)の炭素は sp 混成軌道を形成している。

つまり、各炭素原子は2つのCHσ結合と1つのCCσ結合をもつ。

ここで、混成に関与しない p 軌道を p とする。

いま、p は分子平面に対して垂直である。

は C 原子間で1組のπ結合を形成する。

つまり、エチレンは炭素間で2重結合をもつ。

また、π結合の効果により、分子軸に関する回転は起こらない。

(3)の説明

アセチレン(C)の炭素は sp 混成軌道を形成している。

つまり、各炭素原子はCHσ結合とCCσ結合をもつ。

CC軸を z 軸とすると、混成に関与しない p 軌道は p と p である。

と p は z 軸に対して垂直である。

これらの C 原子間で2組のπ結合 ( π と π ) が形成される。

つまり、アセチレンは炭素間で3重結合をもつ。

2組のπ結合はいずれも分子軸 C-C と平行である。

π を分子軸に関して 90°回転させると π に一致する。