炭素原子の電子配置と共有結合

三つの 2p 軌道

炭素原子はどうやって共有結合を作るのか？

1

炭素原子の電子配置

1s

2s

2p

エネルギー

炭素原子：[He](2s)2(2px)(2py)

三つの 2p 軌道＝2px, 2py, 2pz　→　何それ？

2

三つの 2p 軌道

2px

x y

z

2py

x y

z

2pz

x y

z

x 軸方向 y 軸方向 z 軸方向

3

炭素原子の４個の価電子

2s

x y

z

2px

x y

z

2py

x y

z

2pz

x y

z

・不対電子が２個しかない？（４本の結合をどうやって作る？）・x, y 方向：結合の角度は 90°？（メタンの結合角は 109.5°）

4

メタンの結合

sp3 混成軌道

5

メタンの結合

CH

HH

Hメタン（正方形ではない！）正四面体構造

109.5°

（４個の H 原子を線で結ぶと

正四面体になる）

・４本の C‒H 結合をどうやって作る？

6

混成軌道同じ原子上の原子軌道が重なり合って新しくできた軌道　＝　混成軌道

+ + + =

2s 2px 2py 2pz

x

y

z

同じ位相の部分（色がついた部分）が強め合って(1, 1, 1)方向（＝右・上・奥）の軌道ができる

7

sp3 混成軌道

s 軌道１個と p 軌道３個が重なり合ってできた混成軌道　＝　sp3 混成軌道（エス ピー スリー）

【混成軌道の基本的性質】

Ｎ個の軌道が重なり合うと、Ｎ個の混成軌道ができる

sp3 混成軌道は４個ある

8

４個の sp3 混成軌道

（右上・奥）

21 s 2

1 px 21 py 2

1 pz

+ + + =

（右下・手前）

21 s 2

1 px 21 py 2

1 pz– –

+ + + =

（左上・手前）

21 s 2

1 px 21 py 2

1 pz––

+ + + =

21 s 2

1 px 21 py 2

1 pz––

（左下・奥）+ + + =

9

メタン (CH4) の共有結合C sp3 + H 1s 結合性軌道 反結合性軌道

（右・上・奥）

（右・下・手前）

（左・上・手前）

（左・下・奥）

10

メタンの「正四面体構造」

x

y

z (1,1,1)

(1,–1,–1)

(–1,–1,1)

(–1,1,–1)

４個の sp3 混成軌道の方向 正四面体構造 メタンの分子模型

109.5°

cos(109.5°) = ‒1/3

11

【練習問題】エタン (C2H6) には C‒H 結合が６本、C‒C 結合が１本ある。それぞれの結合は、どのような原子軌道・混成軌道からできているか。

CH

HH

CHH

H

12

よくある質問（＊）「sp3 混成軌道を使えばメタンの結合を説明できることはわかった。　でも、なぜ sp3 混成軌道を作るのかがわからん。　どういうときに sp3 混成軌道を作るの？」【本当はどうなっているのか】

［タイトルに（＊）をつけたスライドは発展内容なので、今は飛ばしても構いません］

+ + (他３組も同様）

C 2s

C 2pH 1s

13

エチレンの結合

sp2 混成軌道

14

エチレンの結合

C CH

H

H

H

121.3°

117.4°

二重結合がある

平面構造

どんな軌道を使って結合を作る？

15

sp2 混成軌道s 軌道１個と p 軌道２個が重なり合ってできた混成軌道　

＝　sp2 混成軌道

√31 s

√6px

1–√2

py1

+ + = （左上：(‒1/2, √3/2)方向）

√6px

1–√2

py1

√31 s –

+ + = （左下：(‒1/2, ‒√3/2)方向）

√31 s

√3√2 px

+ = （右：(1, 0)方向）

３個の sp2 混成軌道は同一平面内にある (xy平面)16

エチレンの C‒H 結合、C‒C 結合

C‒C 結合

C‒H 結合

C sp2

H 1s

・C‒C 結合：C の sp2 混成軌道同士（σ結合）・C‒H 結合：C の sp2 混成軌道と H の 1s 軌道

17

エチレンの C‒C 結合：p 軌道による結合

sp2 混成の C 原子には p 軌道が１個残っている

C 2p C 2p 結合性軌道 反結合性軌道

sp2 混成軌道同士の重なり合い（σ結合）p 軌道同士の重なり合い（π結合＝パイ結合）

二重結合

18

σ（シグマ）結合とπ（パイ）結合

π（パイ）結合：結合軸を含む１つの「節面」を持つ

節面

+

σ（シグマ）結合：結合軸に対して軸対称

19

sp2 混成炭素の例

C CO

H

HHH

N CNH

NH2

H

・平面構造、３個の原子と結合（１個は二重結合）

20

アセチレンの結合

sp 混成軌道

21

アセチレンの結合

三重結合がある

直線構造

どんな軌道を使って結合を作る？

H C C H

180°

22

sp 混成軌道s 軌道１個と p 軌道１個が重なり合ってできた混成軌道　

＝　sp 混成軌道

２個の sp 混成軌道は直線上にある

+ =

1 s√2

1 px√2

+ =

– 1 px√21 s√2

23

アセチレンの C‒H 結合、C‒C 結合

C‒C 結合C‒H 結合

・C‒C 結合：C の sp 混成軌道同士（σ結合）・C‒H 結合：C の sp 混成軌道と H の 1s 軌道

C spH 1s

24

アセチレンの C‒C π結合sp 混成の C 原子には p 軌道が２個残っている

C 2p C 2p 結合性軌道 反結合性軌道

sp 混成軌道同士の重なり合い（σ結合）p 軌道同士の重なり合い（π結合２本）

三重結合

25

sp 混成炭素の例

H C C H C C NH

HH

C OO

・直線構造、２個の原子と結合（１個は三重結合、または２個とも二重結合）

CO O

【二酸化炭素の結合】

26

【練習問題】下の分子の C の混成状態は何か。

CC

CH

HC C HH

HH

27

アンモニアの結合

ローンペアを持つ原子の混成軌道

混成軌道の見分け方

28

アンモニアの結合：N の混成状態は？

NH

H H�����

sp2 混成NH3 は平面構造ローンペアは p 軌道

sp3 混成NH3 は三角錐構造ローンペアは sp3 軌道

こちらの方が安定

電子間反発が小さい

29

アンモニアの結合

（ローンペア）

H 1s + N sp3 結合性軌道 反結合性軌道

30

ローンペアの電子はエネルギーが高い

結合性軌道

反結合性軌道

ローンペアsp3

1s

エネルギー

ローンペアの電子は結合電子よりもエネルギーが高い→化学反応に関与しやすい

31

混成軌道の見分け方「結合している原子の数＋ローンペアの数」が

・４個　→　sp3 混成・３個　→　sp2 混成・２個　→　sp 混成

C NH

H

H

HH C N

H

H

HC CC

H

HH

H

BH

H H

sp3 混成 sp2 混成 sp2 混成

sp 混成

sp2 混成

32