【メチルラジカルの混成軌道は何？】混成軌道について解説【前編】

こんにちは、みなとです

先日、Twitterでこんな問題を出題しました

結果は以下の通りでした

正解は２番で、メチルラジカルの炭素原子はsp２混成軌道を形成します

そこで、今回は混成軌道に関する問題を解く最初のステップとして混成軌道の基礎を解説していきます

なお、混成軌道の見分け方や練習問題は別記事で解説しますのでお待ちください

【電子の入れ物】s軌道・p軌道について

まず、混成軌道というのは原子が他の原子と共有結合する際に新たに形成される軌道のことです

共有結合には原子が持つ電子が使われるんでしたね

それぞれの原子には電子が存在していて、そのうち最外殻電子が原子同士の結合に使われます

その最外殻電子、最外殻電子という言葉でひとくくりにされていますが実はその中には序列が存在します

原子には最外殻電子を収納するための入れ物が存在します

それがs軌道やp軌道と呼ばれているもので、全ての原子がs軌道を１つp軌道を３つ持っています

このs軌道とp軌道の間にはエネルギー的安定性の違いがあり、

s軌道の方がエネルギー準位が低い（安定）　p軌道の方がエネルギー順位が高い（不安定）

という序列になっています

ここに最外殻電子が収納されていきますが、その際に収納のルールがあります

電子の収納ルール

電子は不安定な場所を避けるので、２s軌道から先に埋まっていきます

また、１つの軌道の定員は２つまでなので２s軌道がいっぱいになったら２p軌道が埋まっていきます

パウリの排他原理とフントの法則については今回は割愛します

これらのルールにしたがって最外殻電子を収納してみましょう

今回は炭素原子（最外殻電子４つ）を例にあげます

炭素原子の最外殻電子は図２のように収納されます

最外殻電子にエネルギーの違いがあることがわかりますね

混成軌道の形成

さて、ここから本題に入ります

ルールに従って収納された最外殻電子ですが、このままでは結合に使うことができません

共有結合は原子と原子が１つずつ電子を出し合って結合します

炭素は余っている最外殻電子が４つなので結合の腕が４本の原子ですよね？

なので共有結合のために電子を１個ずつ外に提供する必要があり、そのために図３のように電子はバラバラに存在する必要があります

しかし図３のような配置は起こりません。電子は安定なところがあればそこに逃げてしまうからです。

つまり、２sに空席があったらすぐさま２s入り込んでしまいます

そこで電子を均等に１つずつにするため、結合の際はs軌道とp軌道をごちゃ混ぜにして新たな軌道を作ります

それが混成軌道（図４）です

s軌道１つとp軌道３つからsp３混成軌道が形成されました

混成軌道はsもpもごちゃ混ぜにしてしまったのでエネルギー準位に違いはありません

よって電子は１つずつ軌道に収まり、４つの電子を結合に使うことができます

混成軌道の種類

混成軌道には３種類あります

１．sp３混成軌道

s軌道１つとp軌道３つが混ざった混成軌道です

一般に結合角は109.5°となり、形は正四面体となります

メタンのC原子やアンモニアのN原子など単結合のみの原子のほとんどがsp３混成軌道です

２．sp２混成軌道

s軌道１つとp軌道２つが混ざった混成軌道です

結合角は120°となり、分子は平面構造になります

エチレンのCやアルデヒドのOなど二重結合を含む原子やホウ素（B）が形成します

３．sp混成軌道

s軌道１つとp軌道２つが混ざった混成軌道です

結合角は180°となり、直線構造になります。

アセチレンのCやニトリルのCなど３重結合を持つ原子やベリリウム（Be）が形成します

まとめ

ルールに従うと、炭素原子であれば以下の図２のように電子が配置される