化学結合＜原子核と電子しかない＞ 原子は，プラスの電荷をもった「原子核」のまわりにマイナスの電荷をもった「電子」が存在する。原子核は電子よりもはるかに「重く」，電子の動きに対し て「静止」していると考えてよい。 [化学結合のイメージ] （重い原子核）－（軽い電子）－（重い原子核） という構造で，「クーロン力」でつながっていると考えられる。 電子は存在するだいたいの「場所」（軌道という）と入る「数」が決まっている。 電子の動きは原子核に比べてはるかに速い。軌道のエネルギーの差が大きいと，電子が移動した場合，大きなエネルギー差が生じる。この大きなエネルギー差 を「止まっている」原子核は吸収できない。 したがって，エネルギー差の大きい軌道の電子は別の軌道の電子と相互作用しない。 例） 同一原子内のＫ殻とＬ殻の電子 では，マイナスの電子どうしがどうして結合するのであろうか？ ＜電子の性質＞ マイナスの電子がどうして結合するのかというと，電子には「波の性質」があるからである。この「波」は，我々が普通イメージする波とは「全く異なる」も のである。電子１個の電荷と質量は知られており，電子を１個ずつ回析格子に入れることができる。驚くべきことに，電子を１個ずつ入れたはずなのに，スク リーンにはなぜか「縞」ができてしまう。ということは，電子１個が，「波」のような性質をもつ不思議なものということになる。 電子の運動は，「シュレーディンガー方程式」と呼ばれる方程式で表されることが判明した。非常に不思議な話ではあるが，現在の科学では，「シュレーディ ンガー方程式」を否定することはできない。 そこで，シュレーディンガー方程式を用いることにする。 電子のエネルギーを， （運動エネルギー）＋（位置エネルギー） とする。 とりあえず位置エネルギーを無視して０とし，シュレーディンガー方程式を解くと， （運動エネルギー）＝（ｎｈ）２／８ｍＬ２ （ｎ＝１，２，３…） ここで，ｈはプランク定数，ｍは電子の質量，Ｌは動ける電子の範囲である。 したがって，電子は広い空間を運動すると，エネルギーが小さくなるという性質がある。 したがって，「遊びたがる子供」のように広い空間をさまよいたがっている。ただし，先ほど述べたようにエネルギーの近い軌道でないと移動できない。この ような「動きやすい」電子を引きとめているのは，「親」のような原子核があるからである。 ＜なぜ化学結合するのか？＞ 「共有結合」というものがある。 ① 電子の移動 原子が接近すると，電子は「広い空間をさまよいたい」ので，隣の原子に移りたがる。電子どうしはマイナスの電荷をもっているので，電気的に反発するが， 移れる場所（エネルギーの近い軌道）があれば，移っていく。移ると電子の動ける範囲 は大きくなるからである。ただし，希ガスのように入る場所があまりない原子には，電子は「めったに」移らない。 ② 電子の安定化 移った電子は，隣の原子核にも引っ張られて安定化する。 ← はじめに書いたイメージ 結局，電子はどちらの原子の所属だったかわからなくなってしまう。 （補足） 量子力学計算によって，電子の全エネルギーが求められる。これをビリアルの定理で「電子の移動エネルギー」と「電子の安定化エネルギー」に分けることが できる。それによると，水素分子では，10-10 m 付近で，主役が①から②に移行するようである。ビリアルの定理とは，万有引 力や静電気力のように距離の２乗に反比例する力が働く粒子では， （運動エネルギー）×２＝－（位置エネルギー） となる。ということは，化学結合というものは，最終的には，電子の移動エネルギーよりも，核からの静電気引力による電子の安定化エネルギーで決まっ てしまうこ とになる。 ＜化学結合に対する誤解＞ ① 電子は一番外側の殻に８個入る。 最外殻に電子が８個入れば安定になるが，べつに空いている場所に電子が入れば結合はできる。この誤解は，高校で「なぜ化学結合ができるか？」を教えてい ないからである。 ② 電子は対にならなければならない。 電子は対になれば安定になるが，電子１個でも結合はできる。Ｈ２＋という安定なイオンが存在する。 ＜イオン結合＞ ＮａＣｌの結晶を気体にすると，ＮａＣｌの分子ができる。このＮａＣｌ分子は電子が極端にＣｌのほうに偏っている。一般に「化学結合」といえば，「棒」 のようなものを想像するであろうが，この場合，「大小のだんごが引っ付いた」ようなイメージになる。これは電子の運動よりも，原子核の電荷の違いからくる 静電気的なもので，「イオン結合」とよぶ。 このように電子が偏ると，結合に「方向性」がなくなり，３次元的にＮａとＣｌが結び付いていく。これがイオン結晶である。「３次元化」することにより， 電子が完全に移ったようになる。 多くの化学結合は，イオン結合と共有結合の「中間」であると考える人が多数派である。石川正明の「新・理系の化学」に面白いことが書いてある。 Ｎａ → Ｎａ＋ ＋ ｅ－ … ① Ｃｌ ＋ ｅ－ → Ｃｌ－ … ② ①＋②は， Ｃｌ ＋ Ｎａ → Ｎａ＋ ＋ Ｃｌ－ … ③ ①は ４９３ ｋＪ／ｍｏｌ の吸熱反応，②は ３６４ ｋＪ／ｍｏｌ の発熱反応。したがって，③は １２９ ｋＪ／ｍｏｌ の吸熱反応と なる。この反応は自発的 には起こり得ないことになる。 ＮａからＣｌの電子の受け渡しが，量子力学的な電子波の干渉（いわゆる共有結合）なしでは無理であることが分かる。 ＜金属結合＞ 結晶中に存在する「共有結合」の特殊な場合である。原子が接近したとき，電子は他の原子に移動したがるが，移動できる電子が「少なく」，移動できる場所 が「多すぎる」と，原子は次から次へとつながって，電子は「移動しまくる」ことになる。移動しまくることによって結合は安定化する。これを「金属結合」と いう。本質は「共有結合」である。 金属Ｌｉを気体にすると共有結合して，Ｌｉ２分子ができる。Ｌｉは内殻電子のしゃへいが大きいので，ゆるく結合するようである。 結合エネルギーはＨ２の４分の１程度である。Ｌｉは金属結合したほうがずっと安定になるのである。 ＜炭素と炭素の間に４重結合が存在しないのはなぜか？＞ Ｃ２分子は，宇宙空間に存在する。夢のある話である。 炭素の電子配置は， ２ｓ（↑↓） ２ｐ（↑ ）（↑ ）（ ） ４重結合したとすると， ２ｓ（↑ ） ２ｐ（↑ ）（↑ ）（↑ ） ｓｐ３混成軌道になる。ところが，この軌道は正四面体方向に伸びるので，たとえ結合したとしても３重結合 になる。 実際に，量子化学計算した結果は，３重結合を示している。 混成しないとすれば，上記の電子配置から分かるように，ｐ軌道の２重結合になる。 |