CH4分子のH-C-Hの結合角とH2O分子の結合角を比べるとどちらの方が小さいか。理由とともに述べよ

CH4分子のH-C-Hの結合角とH2O分子の結合角を比べるとどちらの方が小さいか。理由とともに述べよ。
という問題なのですが、なんと答えたらよいのでしょうか。

メタンの炭素も水分子の酸素もどちらともsp3軌道を描くので、同じ結合角だと思ってしまうのですが…

解説お願いします。

No.1 ベストアンサー 回答者： psa29 回答日時： 2021/09/06 04:32

H2Oの結合角は104.5° メタンの結合角は109.5°なので水の方が小さいですね。

正四面体の中心に炭素原子が位置して、４つの頂点に水素原子が位置する。
全ての水素原子は等価なので、結合角は全て等しいとして幾何学的に計算すると、結合角は109.5°になります。
メタンはまさに計算通りです。
水の場合、正四面体の中心に酸素原子が位置して４つの頂点の内、２箇所に水素原子が位置します。
残り２つは、非共有電子対なのです。
水素原子があると電子雲が拘束されますが、水素原子のない非共有電子対では水素原子による拘束がない為、電子雲が広がってしまい、その為、電子雲同士の反発が大きくなってしまいます。
よって、非共有電子対間の距離が広がる分、水の結合角が押しやられて狭まってしまうのです。

水の非共有電子対は、水素原子による電子雲の拘束がない分、広がっている。
非共有電子対の広がり（反発）に押しやられて、結合角はメタンに比べ、
小さくなる。

この回答へのお礼

詳しい解説ありがとうございます！

お礼日時：2021/09/10 08:29

No.3 回答者： konjii 回答日時： 2021/09/06 13:57

No.2さまのように、既存の説に対して懐疑的に見る方が良いと思います。

分子軌道法は、量子力学の解が水素原子にしかなかったための、苦し紛れの
方法だからです。水の物性を決める水素結合を、この分子軌道法は評価して
いません。

No.2 回答者： Tacosan 回答日時： 2021/09/06 04:38

実際に調べたら H2O の方が小さかった.

なお水が「本当に sp3 なのか」という問題はある.